回音壁模（Whispering Gallery Mode,WGM）微球腔,可实现极高的品质因子Q（Quality Factor）和比较小的模式体积V（Mode Volume）,在低耦合功率的情况下能够实现超高的光子密度（GW/cm2）,从而能够显著增强了光与物质的相互作用,使它们成为实现极低阈值和窄线宽激光器的典型谐振腔,并且该类型微球腔在低功耗、低阈值、高稳定性的微型激光器领域和非线性光学、腔量子电动力学、高灵敏度生物传感等领域具有广阔的应用前景。本论文探索了新的稀土离子掺杂方法,实现了高品质因子Q的有源石英微球腔,借助稀土离子在能级间的跃迁与辐射过程,通过构建微球腔激光器的泵浦、测量及其分析的实验平台,实现了低阈值的激光输出。最后还研究了有源微激光器在光学传感方面的应用。本文主要研究内容如下:1.构建锥形光纤和石英微球谐振腔的光学耦合理论首先根据经典的电磁场理论,根据边界条件,通过解析麦克斯韦（Maxwell）方程组来获取石英回音壁模微球腔的模场分布、特征方程及其模式特性。其中模式特性包括品质因子Q、模式体积V、自由频谱范围（Free Space Range,FSR）和精细度F。之后构建了锥形光纤的导波理论,在柱坐标系下推导了光纤导波模式本征方程,分析了锥形光纤的截止波长和截止半径,探讨了锥形光纤模场分布和能量分布的特性。接着构建了锥形光纤和石英微球谐振腔的光学耦合理论,分析了两者之间耦合的特性,推导得到了欠耦合、恰耦合和过耦合下的归一化透过率与石英微球腔品质因子Q的变化关系。2.拉制锥形光纤与制备掺杂石英微球谐振腔采用氢气熔融普通单模光纤的方法来制备锥形光纤,首先把光纤耦合区域用剥线钳剥去涂覆层,接着使用氢气火焰将其加热,然后放在由计算机操纵的精密实验平台上进行拉制,从而制备出达到我们实验上要求的锥形光纤。在制备掺杂石英微球腔之前,先配备了 Er3+离子溶液:将硝酸铒五水合物（Er（NO3）3·5H2O）、H2O、C2H6O混合,然后利用搅拌机充分振荡溶液使Er3+离子均匀分布,其重量配比为0.013:1.501:2.276。之后采用工作波长为10.6μm的CO2激光器熔融悬挂在三维调整架上的普通单模石英光纤（浸泡在Er3+离子溶液一段时间之后的）,通过微调三维调整架且在重力和表面张力的同时作用下形成规则的微球谐振腔。接着搭建了锥形光纤与掺杂石英微球谐振腔的耦合测试平台,测得掺铒微球腔的品质因子Q为～2.28×1 07。3.基于掺铒石英微球腔的有源微激光器研究搭建了掺Er3+离子有源微激光器的实验平台。使用工作波长在980nm波段的窄线宽激光二极管,泵浦直径约为150μm的掺铒微球腔,在1530nm～1560nm处测得阈值为3μW的激光输出,实现了极低阈值的掺杂有源微激光器。4.2 μm掺铥微激光器的实现首先介绍了Tm3+的能带结构,以及Tm3+在光纤内的吸收谱和发射谱。之后在成功制备掺铒有源微激光器的启发下,本文也进行了掺铥激光器的实验。在上述介绍制备掺铒溶液和掺铒石英微球腔的方法基础上,只要将制备掺Er3+离子溶液的硝酸铒五水合物（Er（NO3）3·5H2O）换成硝酸铥五水化合物（TmN3O9·5H2O）,并且其他成分的配比都一样,便能够顺利制备掺铥离子溶液,进而烧制具有高Q值的掺铥石英微球腔,采用同样的测试方法测得在1550nm波段的品质因子Q为1.08×107。通过工作波长为1550nm的外腔单频可调谐激光器泵浦掺铥石英微球腔,在海洋光谱仪（Ocean-OSA）中测得2μm的激光输出。5.有源微激光器的光学传感首先我们从理论上采用有限元分析方法对二维WGM腔的模式特性进行了研究,发现干扰源能够有效降低模式Q值,同时减少高Q值的谐振模式,预测有源微激光器在相同泵浦条件下激光器的激射模式将减少,并可实现单模的激射输出,基于这种特性,提出微激光器的光学传感概念。然后我们实验上采用普通单模石英光纤尖锥作为干扰源分别研究掺Er3+离子微球腔激光器和外腔增益型微球波波型的光纤激光器的传感特性,通过调控谐振腔的光子储存能力和谐振模式,实现了多模或单模激光输出的机械调控。