回音壁光学微腔具有良好的光学性质,有重要的基础研究和实际应用价值。通过在回音壁微腔中掺杂增益介质,可以进一步提高相应的性能,并应用于超低阈值微型激光器、超灵敏探测和高性能光学器件。本文的研究对象为铒离子掺杂回音壁光学微腔,采用溶胶—凝胶办法加工制备而成。掺铒回音壁微腔可以极大地增强光场与铒离子间相互作用,提高泵浦效率、降低激光阈值,同时在其中还可观察到动力学增益和增益竞争等新奇现象。本论文针对铒离子掺杂回音壁微腔中增益的基本性质,系统性地开展了以下工作:一、参与了回音壁微腔实验室的建设。采用溶胶—凝胶办法,并结合国内外相关技术制备出掺铒增益腔,品质因子在百万量级左右。详细分析了稳态情况下增益的基本性质,包括各能级粒子数布局、激光阈值和激光转换效率等。二、研究了掺铒增益腔中的增益竞争现象,并将其用于增益的精确调控。通过调节控制信号使得探测信号的透射谱实现洛伦兹谷、类法诺线型和洛伦兹峰之间的转变,而在此过程中泵浦光保持不变。利用耦合模理论并通过求解激光速率方程得到该过程中动力学增益的变化,分析指出两者间的增益竞争导致了相应透射谱的变化。该现象可用于增益的精确调控,由于该过程中泵浦光保持不变,系统的稳定性得到了较大提高。三、根据探测信号增益的变化测量出掺铒增益腔中铒离子亚稳态能级寿命。不同于之前荧光光谱测量能级寿命的方法,我们通过关闭泵浦光后探测信号增益的变化反推出铒离子的能级寿命,实验得到的亚稳态能级寿命为5.4ms。测量过程全部采用光纤锥耦合的方式,泵浦和收集效率比传统方式高2-3个数量级。为了避免热效应引起的谱线压缩和展宽对实验结果的干扰,我们采用热光扫谱方法测量得到微腔中热效应的弛豫时间为0.33ms。此外,我们还借助热光扫谱的方法对系统增益进行了有效调控,该方法对泵浦光噪声的鲁棒性较好。四、利用调谐热回流的方法精确调控微芯环腔的共振波长,精度可达到皮米量级。在调谐热回流方法中,采用低功率的二氧化碳激光脉冲对已经制备好的微芯环腔再次进行热回流,微芯环腔共振波长会有皮米量级的移动。通过控制调谐热回流的功率和时间可精确调控共振波长移动的大小和方向。