Оптические высокодобротные мини и микрорезонаторы в прецизионных измерениях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат физико-математических наук Савченков, Анатолий Александрович

• Савченков, Анатолий Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Савченков, Анатолий Александрович

1 Открытые оптические диэлектрические резонаторы и влияние сорбционных процессов на их оптические свойства, (литературный обзор)

1.1 Диэлектрические резонаторы с азимутальными модами. Краткая классификация.

1.2 Поверхностные потери. Спектроскопические характеристики гидролизуемых межатомных связей поверхности кварцевого стекла.

1.3 Сорбционные процессы в тонких пленках на поверхности твердого тела

2 Доминирующие оптические потери в сферических диэлектрических резонаторах на азимутальных модах, (теоретический анализ)

2.1 Составляющие добротности оптических микрорезонаторов на модах шепчущей галереи.

2.2 Структура мод, собственные частоты, излучатель-ная добротность, потери в объеме и на поверхностных включениях.

2.2.1 Структура мод и собственные частоты.

2.2.2 Внутренние потери.

2.2.3 Рассеяние на поверхностных неоднородностях

2.2.4 Влияние внешней среды на оптические потери

3 Изготовление сферических мини и микрорезонаторов различного размера.

3.1 Изготовление с помощью СО2 лазера ИК диапазона.

3.2 Изготовление в пламени водородно - кислородной горелки.

3.3 Обработка кварцевых заготовок особой формы в пламени кольцевой горелки.

3.4 Обработка кварцевых заготовок особой формы в высокотемпературной части высокочастотного разряда емкостного типа.

4 Деградация и сохранение оптической добротности азимутальных мод сферических микрорезонаторов в различных условиях

4.1 Методы измерения оптической добротности.

4.2 Деградация оптической добротности микрорезонатора в лабораторной атмосфере.

4.2.1 Процесс измерений. Обсуждение особенностей эксперимента.

4.2.2 Результаты. Анализ временной зависимости кривой резонансных частот ОДМР и кривой добротности.

4.3 Резкое увеличение времени жизни оптической добротности в атмосфере чистых газов.

4.3.1 Газовая изоляция рабочей области.

4.3.2 Результаты, обсуждение резкого увеличения времени жизни добротности в азоте.

4.3.3 Переход в более длинноволновую область, к сферам большего диаметра для снижения влияния поверхности и к аргоновой газовой изоляции резонаторов.

5 Метод погруженного резонатора для измерения малых оптических потерь в жидкостях вблизи поверхности раздела жидкость-твердое тело.

5.1 Измерения

5.2 Результаты измерений.

6 Защищаемые положения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптические высокодобротные мини и микрорезонаторы в прецизионных измерениях»

За годы, прошедшие после первых демонстраций резонансных эффектов в открытых колебательных системах на основе диэлектриков высокой оптической прозрачности, оптические диэлектрические резонаторы мод шепчущей галереи превратились из объекта узкоспециальных исследований в перспективные элементы интегральной оптики.

Такие резонаторы, были впервые предложены проф. В.Б.Брагинским [1]. В работе [2] впервые была продемонстрирована высокая добротность ~ 108 резонаторов малого размера, ~ 100 мкм. Это обеспечило возможность наблюдения в таких системах нелинейных эффектов и перспективность их применения в различных областях физики . Резонаторы представляли собой микросферы из плавленого кварца, или другого оптически прозрачного диэлектрика, формируемые в пламени микрогорелки или в луче ИК лазера под действием сил поверхностного натяжения.

Впервые на возможность применения эффекта полного внутреннего отражения для создания высокодобротных резонаторов указал Рихтмайер в 1939 году [3]. Им был приведен расчет распределения электромагнитных полей внутри и снаружи сферического и тороидального резонаторов.

Применение резонаторов такого типа в технике дает возможность получить ряд высокоэффективных устройств [4, 5]. В отличие от открытых резонаторов, образованных параллельными почти плоскими зеркалами, используемых в лазерах, сферические резонаторы с азимутальными модами типа шепчущая галерея представляют интерес для изготовления миниатюрных устройств оптического диапазона [6]. Сферические микрорезонаторы могут использоваться как интерферометры и фильтры с уникально высокой резкостью [6], для квантово-невозмущающих измерений [2, 7, 8] и стабилизации полупроводниковых лазеров [4], как высокочувствительные датчики смещения [5], для создания стабильных СВЧ генераторов на разности оптических частот.

Применение таких современных материалов как сверхчистые кварцевые стекла, плазменной и высокотемпературной технологии изготовления и полировки, а также эффективных способов изоляции микросфер от внешних воздействий, вызывающих деградацию их ключевых параметров, позволило показать, что такие резонаторы могут сохранять уникально высокие значения добротности, резкости и диапазона перестройки резонансных частот.

Ранее оптические диэлектрические микрорезонаторы (ОДМР) рассматривали главным образом с точки зрения возможности их широкого применения в перспективе, оставляя в стороне вопросы практической реализации их потенциально высоких характеристик.

Предлагаемая работа содержит описание способов изготовления ОДМР, обладающих малыми оптическими потерями, исследование механизмов деградации добротности таких микросфер и способов ее сохранения в течении длительного времени.