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随机激光辐射特性的理论研究与数值模拟

随机介质通常是指一种折射率在光波长尺度内随机变化的介质,光波在这样的介质中表现出许多光学特性,其中随机激光(Random Lasers)是最令人感兴趣的现象。这种随机增益介质中的受激辐射现象,不需要传统的激光腔,而是形成于光子的局域化。对这一现象的研究开辟了光波局域化和激光物理的新领域,而且可能研制出一种新型微腔激光器。本文基于激光物理、固体物理和光波局域化理论,分析了随机激光器的形成机制和光学特性。详细介绍了有限时域差分法和传输矩阵法的理论和算法,着重讨论和分析了激励源、PML 吸收边界条件、准态模的测量技术等几个关键问题,这些因素直接影响模拟结果。根据概率论和数理统计的有关知识,我们建立了描述一维、二维ZnO 随机介质统计模型,并用传输矩阵法(TMM),有限时域差分法(FDTD)计算了介质中电场的空间分布和时间演化特性。为了描述电磁场的放大特性,我们采用了几种不同的方法将光学增益引入到模型中,这构成几种不同的模型。我们研究和  (本文共145页) 本文目录 | 阅读全文>>

南昌大学
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随机激光的光学特性及其调制的理论研究

本文围绕随机介质激光的光学特性及应用,分别对随机介质的光子局域化、能量分布、频谱特性、模式竞争等问题及光子晶体对其辐射特性的调制进行了研究;提出了一种柔性随机半导体激光器的制备方案,为制备具有良好加工性能的、可用于集成光路的、低成本的低阈值微型激光器提供了一条新途径和理论依据。作为全文的理论基础,详细地介绍了转移矩阵法(TMM)和有限时域差分(FDTD)法的理论和算法,在分析现有的实验现象和理论的基础上,提出了一种新的整体散射效应理论。基于整体散射效应理论,模拟了一维随机介质的局域模的分布,分析了激光辐射与泵浦面积的关系。利用激光物理理论对ZnO粉末的激光输出特性进行了模拟,结果与实验定性吻合,较好地解释无序激光的实验现象。对二维随机介质一系列的光学特性进行了研究,结果显示:光在二维随机介质中呈局域化分布,局域化与介质的结构和激发光的波长均有关,局域化程度与介质颗粒填充密度有关,填充密度越大局域化程度越强,所需的激发阈值越低。随...  (本文共143页) 本文目录 | 阅读全文>>

华中科技大学
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无序介质中的光波局域与随机激光辐射

随机激光器是一种非传统的激光器,其基本特点是在具有增益的无序介质中可以形成受激辐射现象。在传统激光器中,反馈机制来源于激光腔对光波的限制作用。然而,在随机激光器中,为系统提供反馈机制的是介质无序性所造成的多重散射。由于其独特的物理机制以及广阔的应用前景,随机激光现象得到了广泛的研究。对于随机激光器的理论研究主要是基于局域化理论和激光物理理论。在本论文中,我们利用随机激光的半经典理论对随机激光的辐射光特性进行了以下几个方面的理论研究:(1)在随机激光半经典理论的基础上,给出了短脉冲泵浦随机激光器的物理模型。数值模拟的结果表明,此模型能够更加准确地描述短脉冲泵浦情形下的随机激光辐射特性。(2)基于短脉冲泵浦随机激光器的物理模型,研究了泵浦光参数对辐射光特性的影响。结果显示,泵浦光脉冲的峰值强度和脉宽对辐射光的时域波形有很大的影响,而泵浦光的脉冲波形对辐射光特性影响甚微。当随机介质在高重复频率的短脉冲序列泵浦下,抽运过程具有累加效应,...  (本文共119页) 本文目录 | 阅读全文>>

哈尔滨工业大学
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随机增益系统中折射率与增益分布对辐射激光模式的影响

随机激光具有特殊的工作机理和辐射特性,不需要谐振腔就能产生模式良好的激光辐射,并兼具空间发散性和时间高相干性两个在传统光源中互斥的特性,这使其在微纳光子学领域有着很大的发展潜力。激光模式产生的机制以及对模式的调控是随机激光研究领域中的最基本问题。本文将探索随机增益介质中,除随机散射反馈外由增益分布导致的反馈对辐射激光模式特性的影响,进一步研究随机激光模式产生的内在机制,并依据结论尝试实现对辐射激光模式的控制。通过泵浦掺杂染料的液晶薄膜,可以实现垂直样品表面发射的模式等间距的随机激光辐射。研究中发现在一定实验条件下样品辐射光的模式呈现出类谐振腔激光的等间距分布特性,并且模式间距对应的反馈腔长等于样品自身的厚度。由于样品中的边界反射不足以提供形成等间距模式所需的反馈,我们提出增益分布引起的反馈在样品辐射激光过程中可能对辐射激光模式存在影响,且与折射率分布引起的反射反馈以及随机散射反馈间存在竞争,从而使得液晶激光辐射在改变实验条件时出...  (本文共53页) 本文目录 | 阅读全文>>

华中科技大学
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随机激光辐射特性的数值模拟与实验研究

随机激光器是一种新颖而独特的激光器,它有别于传统的激光器。在传统的激光器中光学谐振腔决定了激光的模式与方向,而在随机激光器中光波在随机介质中的多重散射决定了辐射光的激光特性,包括模式、阈值、方向等。由于随机激光有着独特的物理机制和广阔的应用前景,使其得到了广泛的研究。在本论文中,针对短脉冲泵浦钕玻璃粉末随机激光样品开展了数值模拟与实验研究,主要包括以下内容:利用FDTD方法数值模拟了短脉冲泵浦一维随机增益介质并得到以下主要结论:对于同一个随机样品,泵浦光的光强对其辐射光的特性有很大的影响,不同构型的随机介质对辐射光的时域特性和频域特性都有较大的影响。通过研磨将压碎后的块状钕玻璃变为粉末,然后利用粘合、压片以及低温烧结法制备了具有不同光子传输平均自由程的钕玻璃粉末样品。利用自己搭建的实验平台,观测了钕玻璃粉末样品被泵浦下辐射光频谱特性;设计了探测辐射光时域特性的光电探测电路;分析了实验中样品辐射光频谱特性没有达到理想结果的原因,并...  (本文共66页) 本文目录 | 阅读全文>>

华中科技大学
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随机激光辐射特性数值模拟与钕玻璃粉末实验研究

光学谐振腔是传统激光器必不可少的部分,它决定了输出光的模式和方向,并且散射不利于激光的形成而应尽量避免。随机激光器有别于传统的激光器,在随机激光器中光由于多重散射而被局域,多重散射是随机激光必不可少的条件,它决定了辐射光的激光特性,包括模式、阈值、方向等。随机激光因其独特的物理机制和广阔的应用前景,而得到了广泛的研究。在本论文中,对随机激光的几个理论问题和相关实验进行了分析研究,主要包括以下内容:(1)数值模拟了双脉冲泵浦一维随机增益介质并得到以下结论:对于同一个随机样品,高重复频率的泵浦激励下,激光的抽运过程有累加的效应;泵浦光强和脉冲时间间隔对辐射光的影响很大。(2)建立一个新物理模型揭示了随机激光中的交叉弛豫现象,我们发现通过交叉弛豫可以由532nm光来产生381nm的光,并分析了泵浦光光强和能量转化几率对辐射光的影响。设计实验方案,为以后的相关实验做准备。(3)设计和搭建实验光路,利用相干背散射法测出了我们实验样品的光子...  (本文共51页) 本文目录 | 阅读全文>>