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2.0)、 优良的红外透过性能(依组分不同, 其 透过范围从 0.5 ?m 到25 ?m)、 较好的稀土溶解能 力、 较低的声子能量(200―350 cm?1 )等优点, 十分 适宜用作制备工作在红外波段的微球谐振腔 [11,12] . 然而, 由于制备、 表征工艺的限制, 目前国内外仅 报道有掺杂 Er3+ , Nd3+ 两种稀土离子的硫系玻璃 被用于制备微球谐振腔, 包括英国南安普顿大学的 Elliott [13] 于2009 年制备的 Nd3+ 离子掺杂 Ga-La- S硫系玻璃微球谐振腔(品质因数为1.2 *

105 , 工作 波段为 1065―1085 nm 附近), 以及宁波大学 [14,15] 于2014 年制备的Nd3+ 和Er3+ 离子掺杂的Ge-Ga- S 硫系玻璃微球谐振腔 (品质因数为

6 *

104 , 工作 波段分别为1065―1085 nm及1510―1560 nm). 为 了丰富硫系玻璃微球谐振腔的工作波长种类, 以及 为未来发展在中长红外波段的微球谐振腔的工作 ? 国家自然科学基金重点项目 (批准号: 61435009)、 浙江省自然科学基金 (批准号: LQ15F050002)、 发光材料与器件国家重点实验室 开放基金 (批准号: 2014-skllmd-01)、 宁波市自然科学基金 (批准号: 2014A610125, 2015A610122) 和浙江省重中之重学科开放基 金 (批准号: XKL141039) 资助的课题. ? 通信作者. E-mail: [email protected] ?

2016 中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn 144205-1 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No.

14 (2016)

144205 奠定研究基础, 有必要开展针对除掺杂Er3+ , Nd3+ 离子之外其他稀土离子的硫系玻璃进行微球谐振 腔的制备和光学回音壁模式的表征研究. 本文报道了 Tm3+ 离子掺杂 Ge-Ga-S 硫系玻 璃 (具 体组分为75GeS2―15Ga2S3-10CsI(简写为GGS), 掺入 1.3 wt% 的单质 Tm3+ ) 作为基质材 料制备微球谐振腔的研究工作. 以漂浮粉末熔融 法批量制备了直径分布在 50―200 ?m 的高质量微 球谐振腔, 从中挑选一颗 72.84 ?m的微球, 与一根 腰锥直径为1.93 ?m的石英光纤锥进行近场耦合实 验. 使用一台最大分辨率为

1 pm 的可调谐激光器 对该耦合系统进行光谱扫描, 测得微球典型光谱谐 振峰的 Q 值约为 1.296 *

104 . 在一台

808 nm 半导 体激光器抽运下, 在1400―1520 nm 的工作波段表 征出了与米氏散射理论计算结果符合度较高的荧 光回廊模式谐振峰, 最大误差仅为0.047%.

2 基本理论 介质微球谐振腔优良的光学特性来源于其 独特的回音壁或回廊模式 [16] (whispering gallery modes, WGMs): 耦合进入微球内的光波在微球腔 内表面不断发生全反射, 而被约束在赤道附近并沿 赤道大圆绕行. 微球谐振腔内的回廊模式由径向 量子数 n、 传播方向上的角量子数 l、 赤道面上的投 影量子数 m 以及 TE 和TM 两个偏振模式表示. 对 于理想的微球谐振腔, 每个赤道面上的投影量子数 m都为 2l+1 简并, 因此可用TEn l 或TMn l 表示各个 回廊模式 [17] . 在所有的回廊模式中, 径向量子数为 1(n = 1)、 角量子数与投影量子数相等(m = l)的模 式最贴近微球表面和赤道面, 所代表的模式称为基 模, 具有最小的模式体积和能量密度, 因此我们主 要研究微球腔内激发的最低阶 TE 模谐振 (即基模 模式). 根据米氏弹性散射理论, 微球谐振腔的尺寸 参数x(x = 2πa/λ, 其中a 为微球半径)与其径向量 子数n和角量子数l 之间满足以下关系 [18] : ngxn,l = ν + 2?1/3 ζlν1/3 ? p (n2 g ? 1)1/2 + (

3 10 * 2?2/3 ) ζ2 l ν?1/3 ? 2?1/3 p(n2 g ? 2p2 /3) (n2 g ? 1)3/2 ζlν?2/3 + O(ν?1 ), (1) 式中, ng 为基质材料折射率, xn,l 为微球谐振峰对 应尺寸参数. ν = l + 1/2, l 为传播方向上的角 量子数, ζl 为Airy 函数 Ai(?z) 的第 l 个根, p = ng (TE模)或1/ng (TM模). 通过(1)式可计算出特定 TEn l 或TMn l 回廊模的微球尺寸参量. 在已知基质 材料折射率和微球半径的前提下, 可计算出回廊模 谐振波长的位置. 定义相邻两个基模回廊模式吸收峰的尺寸参 量差为?xn,l = xn,l+1 ? xn,l, 由(1)式可得: ngxn,l =