無序介質(zhì)激光機理的相關(guān)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(zhì)激光機理的相關(guān)問題，自主提出了活性無序介質(zhì)中受激輻射的一種新的整體散射效應(yīng)物理模型。我們分別對無序介質(zhì)激光機理、方向無序單晶散射介質(zhì)中的局域模、含缺陷光子晶體中的局域模和結(jié)構(gòu)無序光子晶體中的局域模進行了理論研究和數(shù)值模擬。 從無序介質(zhì)受激輻射實驗現(xiàn)象出發(fā)，認(rèn)為在無序介質(zhì)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(jié)構(gòu)，稱之為“局域-非周期-類結(jié)構(gòu)”，該結(jié)構(gòu)存在復(fù)雜的光子局域模。當(dāng)

2、局域模位于活性介質(zhì)的增益區(qū)時，實現(xiàn)局域模的受激放大。也就是說，無序激光是活性無序介質(zhì)內(nèi)的局域-非周期-類結(jié)構(gòu)與相匹配的泵浦光場相互作用的結(jié)果。對應(yīng)于特殊參數(shù)(如粒子大小，泵浦光強度等)具有局域-非周期-類結(jié)構(gòu)的一維活性無序介質(zhì)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(guān)系，我們發(fā)現(xiàn)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(zhì)中

3、，當(dāng)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(shù)值計算了在不同泵浦功率下活性無序介質(zhì)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(jié)構(gòu)的無序介質(zhì)的透射譜只與介質(zhì)的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與介質(zhì)的損耗和增益無關(guān)。介質(zhì)中光場相對強度的形狀與損耗和增益無關(guān)，損耗和增益只改變介質(zhì)中光場的強度。品質(zhì)因子最大的模具有最小的激發(fā)閾值，品質(zhì)因子最小的模具有最大的激發(fā)閾值。在無序介質(zhì)中，不同的激

4、發(fā)模具有不同的泵浦功率閾值。 應(yīng)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(gòu)成的一維無序介質(zhì)的局域模。用兩個主軸折射率之比描述介質(zhì)無序度，介質(zhì)無序度對決定光場狀態(tài)起著重要的作用。當(dāng)無序度足夠高時，空間方向無序?qū)?dǎo)致光場Anderson局域化產(chǎn)生，從而提出了一種新的產(chǎn)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(dǎo)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(jié)果表明：當(dāng)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(xiàn)分裂現(xiàn)象，分裂后的缺陷模數(shù)目與半波缺陷數(shù)目相同，而缺陷模的間隔隨著半波缺陷間隔層數(shù)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(shù)值計算表明：當(dāng)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(xiàn)分裂現(xiàn)象，分裂后的缺陷模數(shù)目與半波缺陷數(shù)目相同，而缺陷模的間隔隨著半波缺陷間隔層數(shù)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。可見，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(zhì)在光子晶體中的位置，即缺陷介質(zhì)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(shù)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(yīng)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(xiàn)，當(dāng)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(xiàn)缺陷模，缺陷模的數(shù)目與半波缺陷數(shù)目相同，而缺陷模頻率的間隔隨著半波缺陷間隔層數(shù)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(yīng)的光場分布為局域狀態(tài)。 研究介質(zhì)層厚度的非關(guān)聯(lián)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(zhì)層數(shù)的關(guān)系。與周期性結(jié)構(gòu)相比較，光波在這種結(jié)構(gòu)

8、介質(zhì)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(zhì)層數(shù)有關(guān)。該研究為有關(guān)光子器件的設(shè)計提供了理論依據(jù)。其次采用傳輸矩陣方法，研究了一維光子晶體中介質(zhì)層厚度的高斯型隨機分布對光學(xué)透射譜的影響，集合平均透射譜與平均無序程度、頻率有關(guān)。對于介質(zhì)層厚度的高斯型隨機分布，個體隨機結(jié)構(gòu)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(guān)，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(shù)隨頻