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论文题目:有机染料掺杂圆对称及非圆对称 光学微腔的发光特性研究 光科学与工程 0 3届研究生 系 6 所) 光学专业 凌蛋 指导教师 徐雷教授 摘要: 当今的社会正在步入高度信息化社会，人们己认识到超高速率、超大容量 信息系统中用光子作为信息的载体是继电子之后的最佳选择。低损耗光纤，掺饵 光纤放大器的出现，提高光的传输距离。波分复用 wd m)和密集波分复用 ( d wd m) 技术发展，己 经大大提高了通信系统的带宽。与半导体电子学 一 样，功 能集成化的实现依然是光子学发展的必由之道。根据系统功能的要求，人们要把 不同功能的若干或众多光子器件通过内部光波导的互连， 优化集成在一个芯片卜 ， 以突破分立器件的功能局限。 在集成光学器件中， 光学微腔以其自 身独特的优点， 在光波的发射，上载，下载方面表现出很大的前景。 木文围绕溶胶一 凝胶技术制备有机染料掺杂的光学微环开展工作。 取得的主 要结果如下: 1 .制备了r h b掺杂的z r / s i 材料的圆形微环， 在光泵下获得微环的窄带回廊耳语 模式的受激辐射光谱， 发现该 微腔激光输出 有很高的q值， 表明z r / s i 材料是 一种很有前景的微腔激光材料。 同时对可能的回廊耳语模式与波导模式的竞争 进行了实验研究和分析。 2 .通过控制溶胶一 凝胶成膜条件，在方型光纤外制备了具有不同形变的微环谐振 腔。 对该系列微环谐振腔在光泵下的近场和远场出射光强分布及出射光谱的测 量， 确定辐射模式中同时存在四次反射和混沌回廊耳语两种微腔模式， 两种模 式都有很高的q值。 并且观察到两种微腔模式的出 现与微腔形变之间的关系。 3 .制备了变形的8 字形的微腔， 观察到了混沌的回廊耳语模式， 有很好的力向性 出射，有很高的q值。 关键词: 谐振微结构器件 光学振荡器 溶胶一 凝胶 a b s t r a c t t o d a y s s o c i e t y i s c o m i n g i n t o t h e h i 酬y in f o r m a t i o n s o c i e t y , p e o p le b e l i e v e t h a t p h o t o n i s th e b e s t in f o r m a t i o n c a r r i e r i n t h e h i g h s p e e d a n d h i g h c a p a c i t y in f o r m a t i o n s y s t e m . l o w e r l o s s o p t i c a l f i b e r a n d e r d o p e d f i b e r a m p l i f i e r e n h a n c e t h e t r a n s m i s s i o n l e n g t h o f l i g h t . t h e d e v e l o p m e n t o f t h e t e c h n o l o g y o f t h e w a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x e r ( wd m) a n d d e n s e w a v e l e n g t h d iv i s i o n m u l t i p le x e r ( d ) w d m) h i g h l y e n h a n c e t h e b a n d w i d t h o f t h e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m . l i k e i n e l e c t r i c a l s y s t e m s , d e v e l o p m e n t o f p h o t o n i c s y s t e m s r e q u i r e s i n te g r a t i o n o f p h o t o n d e v i c e s t h a t h a v e d i ff e r e n t f u n c t i o n s . i n t h e i n t e g r a te d o p t i c a l d e v i c e s , o p t i c a l m ic r o - c a v i t i e s p l a y k e y r o l e s a s l i g h t e m i tt e r s , u p l o a d i n g , a n d d o w n l o a d i n g . t h i s t h e s i s r e p o rt s o n o u r r e s e a r c h r e s u l ts o n o p t i c a l p r o p e r t i e s o f o p t i c a l m ic ro ri n g aroundthefi ber.thefo n 。 初 n g i fm ic r o r in g a r o u n d t h e f ib e r . t h e f o llo w in g is t h e m a in re s u lts w e o b ta in e d : 1 . m i c r o - r i n g o f r h b d o p e d z r / s i o r g a n i c / i n o r g a n i c m a t e r i a l w as f a b r i c a t e d , s p e c t r u m o f t h e s t i m u l a t e d r a d i a t i o n o f n a r r o w b a n d w h i s p e r i n g g a l l e ry m o d e s ( wg m) f r o m t h e m i c r o - r i n g w e r e m e as u r e d u n d e r t h e o p t i c a l p u m p , h i g h q v a l u e w a s f o u n d i n t h e l a s e r o u t p u t o f t h i s k i n d m i c r o - r i n g c a v i t y . i t i s s h o w n t h a t z r / s i m a t e r i a l i s a p o t e n t ia l m a t e r i a l f o r f a b r i c a t i n g m i c r o - c a v i t y . a t t h e s a m e t i m e , t h e p o s s i b l e c o m p e t i t i o n b e t w e e n w h i s p e r i n g g a l l e ry m o d e a n d w a v e - g u i d e m o d e i n t h e m i c r o - r i n g c a v i t y w as d i s c u s s e d . 2 . b y c o n t r o l l i n g t h e f i l m f a b r i c a t i o n p r o c e s s , m i c r o - r i n g s w i t h d i ff e r e n t d i s t o rt i o n a r o u n d a s q u a r e - s h a p e d f i b e r w e r e f a b r i c a t e d . t h e f a r - fi e l d a n d n e a r - f i e l d l as e r o u t p u t p a tt e r n s a n d e m i s s i o n s p e c t r a w e r e m e as u r e d , w e c o n f ir m e d t h a t t h e r e a r e t w o k i n d s o f o p t i c a l r e s o n a n c e s i n t h e m i c r o - c a v i t i e s . o n e i s f o u r - b o u n c e - r e fl e c t i o n - m o d e , t h e o t h e r i s c h a o t i c w h i s p e r i n g咧l e ry m o d e . b o t h k i n d s o f m o d e s h a v e h i g h q v a l u e . r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e a p p e a r a n c e o f t w o k i n d s o f m o d e s a n d t h e d e f o r m a t i o n o f t h e m i c r o - c a v i t y w a s o b s e r v e d . 3 . t h e d e f o r m e d 8 - s h a p e d m i c r o - c a v i t i e s w e r e f a b r i c a t e d , t h e c h a o t i c wg m w a s o b s e r v e d , t h e e m i s s i o n fr o m t h o s e c a v i t ie s h a v e a g o o d d i r e c t i o n a l i t y , a n d a ls o h a v e h i g h q v a l u e . k e y w o r d : r e s o n a n c e mi c r o s t r u c t u r e d e v i c e so p t i c a l r e s o n a t o r s s o l - g e l 第一章 前言 第一章前言 1 . 1 引言 当今的社会正在步入高度信息化社会， 超高速信息流( t h / s ) 的 传输， 超快速 率印 s 的处理与超大信息量( t b ) 的存储已 是人们追求的目 标。以电 子作为信息载 体的电子技术由于受到分布延迟效应和电磁串扰的影响，已开始表露出局限性。 光子为玻色子，无荷电性，没有分布延迟效应。激光有很好的单色性、相干性， 能实现高密集波分复用和并行与交叉传输以及分束存储。因此用光子作为信息的 载体将使未来信息系统的传输容量、处理速度和存储密度有着惊人的扩充和提 高，因而已 经成为当今科技界关注的热点，并促成了 一门新型学科一信息光子学 的迅速兴起和发展。而对一个实用化的信息光子系统，无论从速率的提高，功能 的拓展，系统的可靠性、稳定性以 及与微电子系统的兼容性等诸多方面考虑，光 波回路集成化的发展将是必由之路。人们认为，一旦光波回路与微电子系统集成 得以实现，它将继微电子的成就之后，导致信息高技术的第二次革命性飞跃。 光波回路系统包括光波的发射、传输、调制一 解调、上载、下载、接收、存 储、显示等一系歹 j 的过程。光学微腔以其自 身独特的优点，在光波的发射、上下 载等方面表现出很大的前景。 如: 微腔激光器， 用于d wd m的“ a d d - d r o p f i l t e r 等。当然除了集成光学领域，光学微谐振腔在其它应用领域，例如光学传感等， 也有很多潜在的应用。除此之外，在揭示物质世界本质的自 然科学领域，例如量 子电动力学的研究，也有其用武之地。 1 .2 微腔的光学特性 一 个 光 学 模 式 占 有 相 当 于 % 。 ， 3 大 小 的 体 积 】 其 中 x ) 真 空 中 的 光 波 长 ， n为充满在腔内有源介质的折射率。一般的普通半导体激光器的腔长约几百微 米， 腔内 有约 1 0 5 个光学模式与增益介质作用。 而在一个几何尺度与光波长可比 拟的微谐振腔中，有源介质的增益谱内 仅有几个光学模式存在。这样，人们就有 可能利用微腔的限制作用从空间电 磁场的连续模式中产生少数几个离散的光学模 式。 理想情况下，进一步缩小微腔的尺寸，可以实现单模的振荡。当 微腔的尺寸 小到腔内 只有一个光学模式存在，自 发辐射的祸合系数 ( 0 )等于 i ，即全部自 发辐射光子都进入一个激射模式，从而有可能实现无阂值激光器。即使在0 1 的微谐振腔内，由于谐振腔的高品质因数，且仅有几个光学模式可与增益介质祸 第一章 前言 参考文献: 1 .阎守 胜， 甘子钊主编， 介观物理， 北京大学出 版社， 1 9 9 5 2 . b i n l i u , a l i s h a k o u r i , a n d j h o n e .b o w e r s p a s s i v e m ic r o r i n g - re s o n a t o r - c o u p l e d l a s e r s . a p p l i e d p h y s i c s l e tt e r s 7 9 ( 2 2 ) 3 5 6 1 - 3 5 6 3 n o v 2 0 0 1 3 . j .u .n 6 c k e l a n d r .k .c h a n g , 2 - d m i c r o c a v i t i e s : t h e o ry a n d e x p e r i m e n t s i n c a v i ty - e n h a n c e d s p e c t r o s c o p i e s , e d i t e d 勿 r .d . v a n z e e a n d j .p .l o o n e y ( a v o l u m e o f e x p e r i m e n t a l me t h o d s i n t h e p h y s i c a l s c i e n c e s , a c a d e m i c p r e s s , 2 0 0 2 4 . y y a m a m o t o a n d r .e . s l u s h e r o p t i c a l p r o c e s s e s i n m i c r o c a v i t i e s , p h y s i c s t o d a y , 1 9 9 3 , j u n e , 6 6 - 7 3 5 . r i c h a r d k .c h a n g , a n t h o n y j c a m p i l lo o p t i c a l p r o c r s e s i n m i c r o c a v o t i e s , w o r l d s c i e n t i f i c , 1 9 9 6 6 . c h a n g s , c h a n g r .k . , s t o n e a d , n o c k e l j u o b s e r v a t i o n o f e m i s s i o n f ro m c h a o t i c l as in g m o d e s i n d e f o r m e d m i c r o s p h e re s : d i s p l a c e m e n t b y t h e s t a b l e - o r b i t m o d e s j .o .s .a .b 1 7 ( 1 1 ) : 1 8 2 8 - 1 8 3 4 n o v 2 0 0 0 7 . s t o n e a .d . c l as s i c a l a n d w a v e c h a o s i n a s y m m e t r i c r e s o n a n t c a v i t i e s p h y i s c a a 2 8 8 ( 2 0 0 0 ) 1 3 0 - 1 5 1 8 . r e x n b , t u r e c i h e , s c h w e f e l h g l , c h a n g r k , s t o n e a d f r e s n e l fi l t e r i n g i n l as i n g e m i s s i o n fr o m s c a r r e d m o d e s o f w a v e - c h a o t i c o p t i c a l re s o n a t o r s p h y s i c a l r e v i e w l e tt e r s 8 8 ( 9 ) : a rt . n o . 0 9 4 1 0 2 ma r 4 2 0 0 2 9 . c . g m a c h l , f . c a p as s o e t . a l . h i g h - p o w e r d i r e c t i o n a l e m i s s i o n fr o m m i c r o l as e r s w i t h c h a o t i c res o n a t o r s , s c i e n c e , 1 9 9 8 , 2 8 0 , 1 5 5 6 - 1 5 6 4 1 0 . p o o n a w, c o u r v o i s i e r f , c h a n g r k mu l t i m o d e r e s o n a n c e s i n s q u a r e - s h a p e d o p t i c a l m i c r o c a v i t ie s o p t i c s l e tt e r s 2 6 ( 9 ) : 6 3 2 - 6 3 4 m a y 1 2 0 0 1 1 1 . i n g o b r a u n , g u i d o i h l e i n e t a l . h e x a g o n a l m i c r o l a s e r s m b as e d o n o r g a n i c d y e s i n n a n o p o r o u s c rys t a l s a p p l i e d p h y s i c s b 7 0 ,3 3 5 - 3 4 3 2 0 0 0 1 2 . j i a n wi e r s i g h e x a g o n a l d i e l e c t r i c re s o n a n c e a n d m i c r o c ry s t a l l as e r s p h y s i c a l r e v i e w a 6 7 , 0 2 3 8 0 7 ( 2 0 0 3 ) 1 3 . a .f .j . l e v i , r . e . s lu s h e r , s .l .mc c a l l , t .t a n b u n - e k , d 无c o b l e n t z a n d s .j .p e a rt o n . r o o m t e m p e r a t u r e o p e r a t i o n o f m ic r o d i s c l a s e r s w i t h s u b m i l l i a m p t h r e s h o l d c u r r e n t . e l e c t r o n . l e tt . 1 9 9 2 , 2 8 : 1 0 1 0 - 1 0 1 2 1 4 . f u j i t a m, b a b a t mi c r o g e a r lase r a p p l i e d p h y s i c s l e tt e r s 8 0 ( 1 2 ) : 2 0 5 1 - 2 0 5 3 m a r 2 5 2 0 0 2 1 5 . k u w a t a g o n o k a m i m, j o r d a n r .h ., e t .a l . p o l y m e r m i c r o d i s k a n d m i c r o r i n g l a s e r s , 第一章 前言 o p t . l e tt . 1 9 9 5 , 2 0 ( 2 0 ) , 2 0 9 3 1 6 . h i d e . f . , s c h w a rt z b . j . , d i a z , c a r c i a m. a , e t . a l l a s e r e mi s s i o n f r o m s o l u t i o n s a n d f i l m s c o n t a i n i n g s e m i c o n d u c t i n g p o l y m e r a n d t it a n i u m d i o d e n a n o c r y s t a l s c h e m. p h y s . l e tt . , 1 9 9 6 , 2 5 6 : 4 2 4 - 4 3 0 1 7 . g a n g c h e n , d i p k b in q .c h o w d h u ry , a n d r i c h a r d k .c h a n g , w e n - f a n g h s i e h l as e r - i n d u c e d r a d u c a t u i n l e a k a g e fr o m m i c r o d r o p l e t s j .o p t . s o c .a m .b 1 0 ( 4 ) 6 2 0 - 6 3 2 a p r i l 1 9 9 3 1 8 . p e n g x , s o n gej i a n g s b , p e y g h a m b a r i a n n , k u w a t a - g o n o k a m i m, x u l f i b e r - t a p e r - c o u p le d l - b a n d e r 3 + - d o p e d t e l l u r it e g l as s m i c r o s p h e r e l a s e r a p p l ie d p h y s i c s l e tt e r 8 2 ( 1 0 ) : 1 4 9 7 - 1 4 9 9 ma r 2 0 0 3 1 1 9 . m i n g c a i a n d k e rr y v a h a l a h i g h l y e f f i c i e n t o p t i c a l p o w e r t r a n s f e r t o w h i s p e r i n g g a l l e ry m o d e s b y u s e o f a s y m m e t r i c a l d u a l - c o u p l i n g c o n f i g u r a t io n o p t i c s l e tt e r s 2 5 ( 4 ) 2 6 0 - 2 6 2 f e b r u a ry 1 5 2 0 0 0 . 2 0 . m . b e r g g e n , a .d o d a b a l a p u r , z .b a o e t . a l . s o l i d - s t a t e d r o p l e t l as e r m a d e fr o m a n o r g a n i c b l e n d w i t h a c o n j u g a t e d p o l y m e r e m i tt e r , a d v a n c e d ma t e r i a l s , 1 9 9 7 , 1 2 , 9 6 8 - 9 7 1 2 1 . s w r o l o v , a k i h i k o阿 i i e t a l . mi c r o l s e r s a n d m i c r o - l e d s fr o m d i s u b s t i t u te d p o ly a c e t y l e n e a d v a n c e d ma t e r i a l mr a c h 2 3 , 1 9 9 8 2 2 . s .v f r o l o v a n d z .v v a r d e n y k . y o s h i n o p l a s t i c m i c r o r i n g i s e r s o n fi b e r s a n d w i re s a p p l ie d p h y s i c s l e tt e r s 7 2 ( 1 5 ) a p r i l 1 3 1 9 9 8 2 3 . s .v f r o l o v , m. s h k u n o v , a .f u j i i , k . y o s h i n o , a n d z .v v a r d e n y l as i n g a n d s t i m u l a t e d e m i s s i o n i n二 一 c o n j u g a t e d p l o y m e r s i e e e j o u r n a l o f q u a n t u m e l e c tr o n i c s 1 6 ( l ) j a n , 2 0 0 0 2 4 . s .x .q i a n , r . k . c h a n g mu l t i o r d e r s t o k e s e m i s s i o n fr o m m i c r o m e t e r - s i z e d r o p l e t s p h y s i c a l re v i e w l e tt e r s 5 6 ( 9 ) 3 m a y 1 9 8 6 2 5 . b .e . l i tt le , j . - p .l a i n e e t a l p e d e s t a l a n t i re s o n a n t r e fl e c t i n g w a v e g u i d e f o r r o b u s t c o u p l i n g t o m i c r o s p h e r e r e s o n a t o r s a n d f o r m ic r o p h o t o n i c c i r c u i t s o p t i c s l e tt e r s 2 5 ( 1 ) j a n 1 2 0 0 0 2 6 . mi n g c a i o .p a i n t e r a n d k .j . v a h a l a f i b e r - c o u p le d m i c r o s p h e r e l as e r o p t i c s l e tt e r s 2 5 ( 1 9 ) o c t . 1 2 0 0 0 2 7 . min g c a i a n d k e r ry v a h a l a h i 咖y e f f i c i e n t h y b r i d f i b e r t a p e r c o u p l e d m i c r o s p h e r e l as e r o p t i c s l e tt e r s 2 6 ( 1 2 ) j u n . 1 5 2 0 0 1 2 8 . j .c .k n i g h t , g .c h e u n g , f .j a c q u e s a n d t a . b i r k s p h as e - m a t c h e d e x c i t a t i o n o f w h i s p e r i n g - g a l l e ry- m o d e re s o n a n c e s b y a f i b e r t a p e r o p t i c s l e tt e r s 2 2 ( 1 5 ) a u g . l 第一章 前言 1 9 9 7 2 9 . y ma , g . c h a n g , s .p a r k , e t .a l i n g a a s p t h i n - f i l m m i c r o d i s k r e s o n a t o r s f a b r i c a t e d b y p o l y m e r w a f e r b o n d i n g f o r w a v e l e n g t h a d d - d r o p fi l te r s , i e e e p h o t o n i c s t e c h n o l o g y l e tt e r s , 2 0 0 0 , 1 2 ( 1 1 ) , 1 4 9 5 - 1 4 9 7 3 0 . s .t .c h u , b . e . l i t t l e , w.p a n , e t _a l a n e ig h t - c h a n n e l a d d - d r o p f i l t e r u s i n g v e r t i c a l l y c o u p l e d m i c r o r i n g r e s o n a t o r s o v e r a c r o s s g r i d , i e e e p h o t o n i c s t e c h n o l o g y l e tt e r s , 1 9 9 9 , 1 1 ( 6 ) ,6 9 1 - 6 9 3 3 1 . d .v .t i s h i n i n , p .d .d a p k u s , a .e .b o n d , e t .a l v e r t i c a l re s o n a n t c o u p l e r s w it h p re c i s e c o u p l i n g e f f i e n c y c o n t r o l f a b r i c a t e d b y w a f e r b o n d i n g ， i e e e p h o t o n i c s te c h n o l o g y l e tt e r s ， 1 9 9 9 , 1 1 ( 8 ) , 1 0 0 3 - 1 0 0 5 . 第二章 光学微腔的 制作及其光学性质 第二章光学微腔的制作及其光学性质 本章介绍利用溶胶一 凝胶技术制备光学微腔的方法及微腔光学性质的表征。 2 .1 溶胶一 凝胶方法介绍 溶胶一凝胶方法最早出现于本世纪初，人们通过控制 s i 0 2 溶胶或含有其它 金属离子的溶胶在一定的条件下转化为凝胶的方法来制备玻璃、陶瓷等物质，已 经是一项非常成熟的材料制备技术。它具有制备过程简单， 成品的机械强度高， 光学特性优良，化学性质稳定等优点。而且凝胶作为一种多孔材料，是一种非常 好的掺杂主体，可以根据实际需要，在溶胶一 凝胶的配制过程中掺入所需的材 料，制备出光学特性各异的器件。它是目 前集成光学领域中制备光波导器件的比 较有前景的方法之一。溶胶一凝胶方法最大的优点是它的成本低，简单，实用。 胶体是指含有直径i 一1 0 0 n m的物质颗粒的稳定体系。分散介质是指颗粒存 在的周围体系。分散相是指组成颗粒的聚集体。分散介质为液体的胶体体系称为 溶胶( s o l ) . 溶胶失去其稳定性， 形成半固体状、 无流动性、内 部结构是固 一 液( 或 固 一 气 ) 两 相的 物质， 称为 凝 胶 ( g e l) 。 人 们通 过 控 制s i o 2 溶 胶 或 含有 其 它 金属 离 子的溶胶在一定条件下转化为凝胶的方法制备玻璃、陶瓷这类物质。 这也就是通 常所称的溶胶一 凝胶( s o l - g e l ) 方法。 溶胶一 凝胶方 法主要 分为 两 种 s1 . ( 1 ) 用加入中 性盐的 方法使 s i 0 : 溶胶或 含 有其它金属离子的溶胶失去稳定性， 形成颗粒均匀的凝胶。 ( 2 ) 有机金属化合物 在有限的水中水解，缩聚形成凝胶。我们采用的是第二类方法。它包括水解 ( h y d r o l y s i s ) 和 缩聚( c o n d e n s a t i o n o r p o ly m e r i z a t i o n ) 这 两个过 程。 对于 普遍 采用的 初 始 原 料 正 硅 酸乙 脂 ( t e t r a e t h o x y s i la n e t e o s ) 而 言 ， 水 解 反 应的 主 要 形 式 如 下 【31 s i ( o r ) 4 + x h 2 0 h s i ( o h mo r ) o- x + x r o h ( 1 - y - 4 ) ( 2 - 1 - 1 ) 缩聚反应有两种方式14 1 , - s i - o r + h o - s i - h = s i - o - s i - + r o h ( 2 - 1 - 2 ) 三 s i - o h + h o - s i 三 什 - s i - o - s i= + 珑0 ( 2 - 1 - 3 ) 设l 为h z 。对s i 的摩尔比， 在l 4 的 情况下，反应( 2 - 1 - 3 ) 占 主导。 可以 看出水解和缩聚两者实际上是不能截然分开 的，在水解发生的同时缩聚也在发生。在直接制备的过程当中，往往采用两步水 解的方法。即先让水解充分而缩聚不太显著。然后再加水调整至所需的 l ，开始 第二章 光学微腔的制作及其光学性 质 比较明显的缩聚。 2 . 2 r h b 染料掺杂溶胶一凝胶薄膜材料 我们用来制备微盘的是一种有机/ 无机复合材料。它是由甲基丙烯酸丙脂基 三甲 氧基硅烷( m e th a c ry l o x y p r o p y lt r i m e t h o x y s i l a n e , m a p t m s ) ， 其分子结构如图 所示。加入甲基丙烯酸( m a a ，分子结构如下图) 和丙氧基错烷( z ir c o n i u m ( i v ) p r o p o x i d e z r ( o c 3 h 7 ) 4 1 ) 经水解，聚合而成。 h z c 丫 c h , = c - c - o - (c h 2)3一 “ c h 3 丫 h 3 节 c h z =c -c -oh o c h 3 复合材料的无机网格是有 m a p t m s的无机部分和 z i r c o n iu m ( i v ) p r o p o x id e z r ( o c 3 h 3 ) 4 1 通过水解形成的二氧化硅和二氧化错网 格组成。与纯有机聚合物材 料相比， 所制备薄膜的机械强度和稳定性得到提高。 z i r c o n i u m ( i v ) p r o p o x i d e 的 加入还有助于改变材料的折射率。ma p t ms的有机部分通过光引发剂在紫外光 照的条件下聚合或与m a a聚合， 形成复合材料的 有机网 格部分， 使制备的材料 具有一定的 柔韧性，有效防止薄膜的开裂，使得制备边缘光滑的微盘成为可能。 ma a的加入，除可与 ma p t ms的有机部分聚合外，还可有效地阻止由于 z i r c o n i u m ( t v ) p r o p o x i d e 的 快速水 解形成二氧化 错大 颗粒或沉淀而导 致微 腔内 光 传播损耗严重增加。另一方面ma a可与m a p t ms 的有机部分聚合。 具体过程如下: - s i 一o -c h3 + h 2 o* - s i -o h m - c h 3 0 h 水解后可发生缩聚反应: 三 s i 一o一c h 3 += s i 一o h* - s i -o 一s i 三 +c h -3 0 h 这时加入一定比例的错，将与部分水解的m a p t m s 发生如下反应: = s i -o h+c 3 h -o-z r =* 二 5 1 一0 一2 乍+c 3 h ， o h 材料的 有机部分是由m a p t ms 的有机部分通过光引 发剂在紫外光照的条件下分 解形成的自由 基，引发m a p t ms 聚合或与m a a聚合，形成复合材料的有机网 格部分。 光引发剂引发的聚合流程如下: u v l i g h t 1 吸收过程 ( 光引发剂) 未被激活 一 一 一 一 一 一 枷( 光引发剂) 已 激活 第二章 光学微腔的制作及其光学性质 2 . 5 棱镜祸合法测量薄膜材料的折射率 棱镜藕合法是一种常用的测量折射率的方法。它利用光在棱镜内全反射时 产生的瞬逝波，将光藕合到波导中去，得到导模是得角度，在通过计算和得到材 料的折射率。如图2 - 5 - 1 所示。 梭镜n p 空 气隙 n 0 波导膜 n t. 衬底 n , 图2 - 5 - 1 波导模式满足如下关系 2 n d ( n j - n ; , ) 又 t a n - 黯，” + ta n -i n n+ m ir,t e( 2 - 5 - 1 ) ta n -1 11f,19 兴11/2 1 + ta ll 11f (兴) 1/21 + m fr, t m 了lesr，1 - 其中m = 0 , 1 , 2 , 由图3 -1 -1 ，利用折射定律，可得 n一 n j s in o 一 、 s in y = ( n p - r 4 s in ) z s in a 1 n o c o s a s in o ,. ( 2 - 5 - 2 ) 上式中的正负号取决与入射光线处于棱镜法线的哪一侧，如图 2 - 5 - 1 时，应取负 号。方程2 - 5 - 1 中包含两个未知数o f 和d 。因此，测量两个不同模式的e im ，即 可 得到一个二元方程组，解此二元方程组即可求得o f 和d 。如果测量两个以上不同 模式的e im ，可以减少偶然误差， 提高测量的精确度。用该装置测量光波导薄膜 的折射率精度可达0 . 0 0 0 1 . 实验中测得当i r g 8 1 9 按s i :z r = 9 : 1 重量的2 .2 3 % 掺杂， r h b 掺杂浓度为 2 % 重量百分比时薄膜的折射率是 1 .4 9 2 1 , s i :z r = 4 : 1 时薄膜的折射率是 1 .5 2 3 5 0 本文第三章的工作中，变形微腔的薄膜配方是 s i :z r =9 : 1 ，圆对称微腔的薄膜配 第二章 光学微腔的制作及其光学 性质 方是s i :z r = 4 : 1 . 2 . 6 薄膜材料吸收光谱和荧光光谱的表征 我们采用岛津 u v - 3 1 0 1 p c型紫外一 可见分光光度计，在室温常压下测量了 r h b掺杂的 z r / s i 薄膜样品的紫外曝光前后的吸收光谱，如图 2 - 6 - 1 所示，浅色 粗线条为曝光前的吸收谱，深色细线条为曝光后的吸收谱。可以看到紫外曝光 32)力 d000 山口u门它民q哎 洲扣. 气目巴 00旧 咤旧7 0 0曰洲 图2 - 6 - 1 zc甘 . 刁.月. 内己64 000 .习.巴老5艺男u- 20 : 00 5 0 0 5 5 06 0 0 6 5 0 7 0 0 wa v e le n g t h ( n m ) 图2 - 6 - 2 7 5 0 8 0 0 前后的薄膜吸收谱几乎没有变化。这表明紫外光的照射并不对染料的结构造成 第二章 光学微腔的制作及其光学 性质 破坏。从图2 - 6 - 1 中可以看到，吸收峰位于 5 5 5 n m，从 5 5 5 n m至 6 0 0 n m间薄膜 的吸收迅速下降。图2 - 6 - 2 是薄膜样品的光致荧光谱，荧光峰在5 8 7 n m. 2 .7 发射光谱的实验装置 测量装置如图 2 - 7 - 1 所示。我们用 n d : y a g激光的倍频的 5 3 2 n m的绿光输 图 2 - 7 - 1 出， 重复频率1 0 h z , ， 脉宽1 0 n s ， 通过一块1 / 2 波片( p 1 ) 和一个格兰棱镜( p 2 ) 组 合来调节光强，然后用一个1 = 1 0 c m的透镜把光束聚焦到样品上，光束的直径一 般要大于样品的直径.入射到样品 上的能量密度大约为 1 2 m j / c m 2 。出 射的 荧