結(jié)合傳統(tǒng)激光理論與隨機(jī)激光研究光子局域化.pdf

1、隨機(jī)激光和光子局域化是近十幾年來(lái)新發(fā)現(xiàn)的一種物理現(xiàn)象。隨機(jī)激光器作為一種沒(méi)有反射鏡的激光器，在具有著類(lèi)似傳統(tǒng)激光器的單色性好的特點(diǎn)的同時(shí)，還有著多種有別于傳統(tǒng)激光器的特點(diǎn)，如穩(wěn)定性好，不怕振動(dòng)，體積可以做的非常小，輻射的隨機(jī)激光沒(méi)有方向性和具有較低的空間相干特性等。因此隨機(jī)激光在激光顯示、照明工程、水文探測(cè)、醫(yī)療檢測(cè)、地質(zhì)研究、文檔或材料的編碼標(biāo)記等多種領(lǐng)域有著眾多的應(yīng)用前景。同時(shí)，由于隨機(jī)激光的相干反饋機(jī)制來(lái)源于光子的局域化，使得隨機(jī)

2、激光在基礎(chǔ)物理研究領(lǐng)域也有著重要的應(yīng)用。光子局域化來(lái)源于光的波動(dòng)特性。當(dāng)光在散射介質(zhì)中受到強(qiáng)烈的散射時(shí)，光場(chǎng)的強(qiáng)烈相干會(huì)影響光的傳播特性，導(dǎo)致光的傳播受到抑制，并最終限制在一個(gè)局部區(qū)域內(nèi)。光子局域化的研究在理解光的本質(zhì)、研究光與物質(zhì)在微觀體系內(nèi)的作用等方面有著重要的意義，對(duì)隨機(jī)激光、光存儲(chǔ)、激光防護(hù)等方面的研究有著重要的指導(dǎo)意義。 基于以上原因，本文結(jié)合傳統(tǒng)激光理論和隨機(jī)激光的特性研究了光子的局域化特性?，F(xiàn)有工作主要采用速率方程

3、理論與光的擴(kuò)散理論相結(jié)合來(lái)研究隨機(jī)激光器。由于隨機(jī)激光器的研究需要較大功率和較好的光束質(zhì)量的激光光源，我們首先研究了兩種泵浦方式的端面泵浦的固體激光器中的熱透鏡焦距的精確表達(dá)方式，以有利于高功率高光束質(zhì)量的激光器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在第三章，我們研究了光子的預(yù)局域化的一種形式即光的相干背散射效應(yīng)在弱信號(hào)情況下的簡(jiǎn)便測(cè)量方法，并根據(jù)研究提出了用于簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)的方法。在第四章到第六章，我們分別從隨機(jī)激光與放大自發(fā)輻射的光譜和時(shí)域特性比

4、較方面，隨機(jī)激光的光譜特性和時(shí)域特性隨染料濃度及散射體濃度變化的方面對(duì)隨機(jī)激光的特性和介質(zhì)的局域化特性進(jìn)行了研究。 本文具體的研究?jī)?nèi)容為： 1．研究了端泵固體激光器的熱分布特性，結(jié)合失真的衍射理論（The Diffraction Theory of Aberrations），首次給出了經(jīng)典激光器中熱透鏡焦距的更加精確的計(jì)算方法。首次提出了熱透鏡焦距不僅和激光器泵浦半徑有關(guān)，還和激光的光束半徑有關(guān)。理論研究了平頂光束和高斯

5、光束兩種不同泵浦模式下的熱透鏡效應(yīng)。最后分別給出簡(jiǎn)化的擬合公式以方便計(jì)算應(yīng)用。最后我們給出了平頂光束泵浦下兩種不同泵浦半徑下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。研究的結(jié)果對(duì)高功率固體激光器的優(yōu)化有著重要的意義。 2．研究了使用CCD器件對(duì)弱相干背散射信號(hào)的測(cè)量方法。首次給出了快速測(cè)量弱信號(hào)強(qiáng)度的相干背散射的改進(jìn)方法，通過(guò)使用CCD對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，然后通過(guò)數(shù)據(jù)處理，可以有效提取記錄的信息。給出了擬合公式的處理，以及積分范圍的優(yōu)化選擇。使用數(shù)值仿真的方式對(duì)

6、方法的可靠性和結(jié)果的唯一性進(jìn)行了驗(yàn)證，并對(duì)不同噪聲程度引起的測(cè)量誤差進(jìn)行了估計(jì)。使用CCD測(cè)量了TiO2納米顆粒甲醇懸濁液的相干背散射特性，并使用此方法得到了有效的平均自由程信息。根據(jù)研究的結(jié)果，首次提出通過(guò)將傳統(tǒng)的方法中的普通透鏡換為柱透鏡的方法，改變相干背散射信息的分布方式，以簡(jiǎn)化測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理，同時(shí)不損失相干背散射峰處的細(xì)節(jié)信息。 3．對(duì)比研究了若丹明6G染料溶液在皮秒高能脈沖泵浦下的熒光輻射、軟閾值以上的橫向放大自發(fā)

7、輻射、軟閾值以上的縱向放大自發(fā)輻射、閾值以上的隨機(jī)激光輻射以及我們稱(chēng)之為帶有部分和較強(qiáng)相干反饋的縱向放大自發(fā)輻射的光譜特性和脈沖特性。通過(guò)對(duì)比，首次發(fā)現(xiàn)了不同相干反饋的程度對(duì)輻射光譜寬度和脈沖形式造成的不同影響。并根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，首次提出了隨機(jī)激光在一定的散射體濃度和染料濃度下，其輻射受到了一定程度的相干反饋影響。本發(fā)現(xiàn)打破了此種沒(méi)有尖峰的隨機(jī)激光輻射沒(méi)有受到相干反饋影響的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，也有利于加深對(duì)激光物理的認(rèn)知。 4．研究了皮秒

8、高能激光脈沖泵浦的摻雜有納米TiO2散射體的染料溶液在不同散射體濃度和不同染料濃度下隨機(jī)激光輻射的光譜特性，發(fā)現(xiàn)了不同染料濃度和不同散射體濃度下的隨機(jī)激光輻射具有著不同的光譜峰值位置。首次發(fā)現(xiàn)了在特定染料濃度下，增加散射體的濃度引起的隨機(jī)激光光譜峰值從藍(lán)移向紅移轉(zhuǎn)變的拐點(diǎn)，并且發(fā)現(xiàn)在不同的染料濃度下，這個(gè)拐點(diǎn)位置的不同。通過(guò)理論研究，首次提出了基于染料的自吸收特性，從隨機(jī)激光的輻射光譜峰值提取平均光程的方法，并通過(guò)擴(kuò)散理論，首次驗(yàn)證了此

9、光譜拐點(diǎn)代表了系統(tǒng)從擴(kuò)散系統(tǒng)向弱局域化系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化。 5．研究了高能皮秒激光脈沖泵浦的摻雜有納米TiO2散射體的染料溶液在不同散射體濃度和不同染料濃度的隨機(jī)激光輻射的時(shí)域演化特性。實(shí)驗(yàn)中首次使用了雙頭光纖測(cè)量隨機(jī)激光的時(shí)域特性，首次測(cè)量了隨機(jī)激光的脈沖建立時(shí)間隨染料濃度和散射體濃度變化的規(guī)律。結(jié)合經(jīng)典激光理論的速率方程和擴(kuò)散理論，對(duì)隨機(jī)激光的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了初步研究，并結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況對(duì)理論進(jìn)行了改良。理論同實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，

10、理論能夠初步說(shuō)明實(shí)驗(yàn)結(jié)果的趨勢(shì)。 本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)： 1．通過(guò)研究端泵固體激光器的熱分布特性，結(jié)合失真的衍射理論（The Diffraction Theory of Aberrations），首次給出了端泵固體激光器中平頂光束和高斯光束兩種泵浦模式下熱透鏡焦距的更加精確的計(jì)算方法。首次提出熱透鏡焦距不僅和激光器泵浦半徑有關(guān)，還和激光的光束半徑有關(guān)。分別給出簡(jiǎn)化的擬合公式以方便計(jì)算應(yīng)用，研究的結(jié)果對(duì)高功率固體激光器的優(yōu)化有

11、著重要的意義。 2．通過(guò)研究使用CCD記錄的樣品的相干背散射圖像的數(shù)據(jù)處理，首次給出了快速測(cè)量弱信號(hào)強(qiáng)度的相干背散射的簡(jiǎn)便方法，通過(guò)使用CCD對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，然后通過(guò)數(shù)據(jù)處理，可以有效提取記錄的信息。首次給出了這種方法中最佳積分范圍的選擇條件。首次給出了不同噪聲引發(fā)的擬合結(jié)果誤差估計(jì)。 3．通過(guò)研究使用CCD記錄的樣品的相干背散射圖像的數(shù)據(jù)處理，首次提出通過(guò)將傳統(tǒng)的方法中的普通透鏡換為柱透鏡的方法，改變相干背散射信息的分

12、布方式，有利于測(cè)量結(jié)果的進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理，同時(shí)不損失相干背散射的峰值細(xì)節(jié)信息。 4．通過(guò)對(duì)比研究若丹明6G染料溶液的橫向放大自發(fā)輻射、縱向放大自發(fā)輻射、隨機(jī)激光輻射以及我們稱(chēng)之為帶有部分和較強(qiáng)相干反饋的縱向放大自發(fā)輻射的光譜特性，脈沖特性，首次發(fā)現(xiàn)了相干反饋的不同程度對(duì)輻射光譜寬度和脈沖形式的不同影響，首次提出了隨機(jī)激光在一定的散射體濃度和染料濃度下，其輻射受到了一定程度的相干反饋影響。本發(fā)現(xiàn)打破了此種沒(méi)有尖峰的隨機(jī)激光輻射中沒(méi)有

13、收到相干反饋影響的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。 5．通過(guò)研究摻雜有納米TiO2散射體的染料溶液的隨機(jī)激光輻射的光譜特性，發(fā)現(xiàn)了不同染料濃度和不同散射體濃度下的隨機(jī)激光輻射具有著不同的光譜峰值位置。首次發(fā)現(xiàn)了在特定染料濃度下，增加散射體的濃度引起的隨機(jī)激光光譜峰值從藍(lán)移向紅移轉(zhuǎn)變的拐點(diǎn)。 6．通過(guò)研究摻雜有納米TiO2散射體的染料溶液的隨機(jī)激光輻射的光譜特性，首次提出了基于染料的自吸收特性，從隨機(jī)激光的輻射光譜峰值提取平均光程的方法。

14、 7．通過(guò)研究摻雜有納米TiO2散射體的染料溶液的隨機(jī)激光輻射的光譜特性，利用擴(kuò)散理論，首次提出了隨機(jī)激光輻射的光譜拐點(diǎn)代表了系統(tǒng)從擴(kuò)散系統(tǒng)向弱局域化系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化的觀點(diǎn)。 8．通過(guò)研究摻雜有納米TiO2散射體的染料溶液的隨機(jī)激光輻射的時(shí)域特性，首次測(cè)量了隨機(jī)激光的脈沖建立時(shí)間隨染料濃度和散射體濃度變化的規(guī)律。結(jié)合經(jīng)典激光理論的速率方程和擴(kuò)散理論，對(duì)隨機(jī)激光的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了初步研究，并結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況對(duì)理論進(jìn)行了改良。理論同實(shí)驗(yàn)