無序介質激光機理的相關研究.pdf

1、本論文基于激光物理和光的電磁理論，研究無序介質激光機理的相關問題，自主提出了活性無序介質中受激輻射的一種新的整體散射效應物理模型。我們分別對無序介質激光機理、方向無序單晶散射介質中的局域模、含缺陷光子晶體中的局域模和結構無序光子晶體中的局域模進行了理論研究和數值模擬。 從無序介質受激輻射實驗現象出發(fā)，認為在無序介質的局部可能存在一些介于完全無序和完全有序之間的類結構，稱之為“局域-非周期-類結構”，該結構存在復雜的光子局域模。當

2、局域模位于活性介質的增益區(qū)時，實現局域模的受激放大。也就是說，無序激光是活性無序介質內的局域-非周期-類結構與相匹配的泵浦光場相互作用的結果。對應于特殊參數(如粒子大小，泵浦光強度等)具有局域-非周期-類結構的一維活性無序介質中的典型局域模存在幾個相鄰的局域中心，其尺寸介于0.3-0.7 μm。其次，基于這個模型，定性解釋了發(fā)射模對泵浦面積依賴關系，我們發(fā)現對不同模的發(fā)射存在不同的泵浦尺寸，對不同的激發(fā)面積存在不同的發(fā)射模。在無序介質中

3、，當泵浦尺寸減小時，發(fā)射模的泵浦閡值將增大。第三，我們利用該模型，定性解釋了局域模發(fā)射的泵浦功率閾值，數值計算了在不同泵浦功率下活性無序介質的典型透射譜，討論了激發(fā)模的泵浦功率閾值，得到局域-非周期-類結構的無序介質的透射譜只與介質的結構有關，而與介質的損耗和增益無關。介質中光場相對強度的形狀與損耗和增益無關，損耗和增益只改變介質中光場的強度。品質因子最大的模具有最小的激發(fā)閾值，品質因子最小的模具有最大的激發(fā)閾值。在無序介質中，不同的激

4、發(fā)模具有不同的泵浦功率閾值。 應用傳輸矩陣法研究了由空間位置有序而光軸空間方向無序的單軸晶體散射體構成的一維無序介質的局域模。用兩個主軸折射率之比描述介質無序度，介質無序度對決定光場狀態(tài)起著重要的作用。當無序度足夠高時，空間方向無序將導致光場Anderson局域化產生，從而提出了一種新的產生無序激光的物理機制。 采用緊束縛法，研究含多個正(或負)折射率缺陷的光子晶體中的缺陷模，導出了缺陷模頻率方程，討論了缺陷問的相互作用

5、對缺陷模的影響。結果表明：當光通過含多個半波缺陷的光子晶體時，缺陷光子晶體帶隙中的缺陷模出現分裂現象，分裂后的缺陷模數目與半波缺陷數目相同，而缺陷模的間隔隨著半波缺陷間隔層數的增加而減小，缺陷模間隔的大小有微小的不對稱最后形成一個缺陷模通帶。理論分析和數值計算表明：當光通過含多個半波負折射率缺陷的光子晶體時，缺陷光子晶體帶隙中的缺陷模出現分裂現象，分裂后的缺陷模數目與半波缺陷數目相同，而缺陷模的間隔隨著半波缺陷間隔層數的增加而減小，缺陷

6、模間隔的大小有微小的不對稱，最后形成一個缺陷模通帶?？梢?，缺陷模間距的變化依賴于缺陷模間的耦合相互作用，而缺陷模問的耦合相互作用依賴于缺陷介質在光子晶體中的位置，即缺陷介質的位置對缺陷模的頻率有重要影響。其次采用傳輸矩陣方法數值計算了含三個正(或負)折射率缺陷的一維光子晶體的透射譜和與光子帶隙中缺陷模頻率對應的光場強度分布，討論了缺陷間的相互作用對缺陷模的影響，并進行了分析和比較。我們發(fā)現，當光通過含多個半波缺陷的光子晶體時，在透射譜的

7、禁帶中出現缺陷模，缺陷模的數目與半波缺陷數目相同，而缺陷模頻率的間隔隨著半波缺陷間隔層數的增加而減小，最后形成一個缺陷模通帶；與正折射率缺陷情形相比較，負折射率缺陷間的相互作用對缺陷模的影響更大，缺陷模譜線更寬；與缺陷模頻率對應的光場分布為局域狀態(tài)。 研究介質層厚度的非關聯無序變化對光波在一維光子晶體中光傳輸特性的影響，將采用傳輸矩陣方法計算透射譜，討論光透射譜與無序程度、頻率和介質層數的關系。與周期性結構相比較，光波在這種結構

8、介質中的傳播受到不同程度的抑制，透射光受到抑制的程度與無序程度、頻率和介質層數有關。該研究為有關光子器件的設計提供了理論依據。其次采用傳輸矩陣方法，研究了一維光子晶體中介質層厚度的高斯型隨機分布對光學透射譜的影響，集合平均透射譜與平均無序程度、頻率有關。對于介質層厚度的高斯型隨機分布，個體隨機結構透射譜禁帶隙寬度和集合平均透射譜禁帶隙寬度與平均無序度有關，隨著平均無序度的增大，禁帶隙變寬；同時得到了平均無序度取不同值時的集合透射模數隨頻