結合傳統(tǒng)激光理論與隨機激光研究光子局域化.pdf

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

2、激光在基礎物理研究領域也有著重要的應用。光子局域化來源于光的波動特性。當光在散射介質中受到強烈的散射時，光場的強烈相干會影響光的傳播特性，導致光的傳播受到抑制，并最終限制在一個局部區(qū)域內。光子局域化的研究在理解光的本質、研究光與物質在微觀體系內的作用等方面有著重要的意義，對隨機激光、光存儲、激光防護等方面的研究有著重要的指導意義。 基于以上原因，本文結合傳統(tǒng)激光理論和隨機激光的特性研究了光子的局域化特性?，F有工作主要采用速率方程

3、理論與光的擴散理論相結合來研究隨機激光器。由于隨機激光器的研究需要較大功率和較好的光束質量的激光光源，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方式，以有利于高功率高光束質量的激光器的優(yōu)化設計，并進行了實驗研究。在第三章，我們研究了光子的預局域化的一種形式即光的相干背散射效應在弱信號情況下的簡便測量方法，并根據研究提出了用于簡化實驗的方法。在第四章到第六章，我們分別從隨機激光與放大自發(fā)輻射的光譜和時域特性比

4、較方面，隨機激光的光譜特性和時域特性隨染料濃度及散射體濃度變化的方面對隨機激光的特性和介質的局域化特性進行了研究。 本文具體的研究內容為： 1．研究了端泵固體激光器的熱分布特性，結合失真的衍射理論（The Diffraction Theory of Aberrations），首次給出了經典激光器中熱透鏡焦距的更加精確的計算方法。首次提出了熱透鏡焦距不僅和激光器泵浦半徑有關，還和激光的光束半徑有關。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。最后分別給出簡化的擬合公式以方便計算應用。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驗結果。研究的結果對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器件對弱相干背散射信號的測量方法。首次給出了快速測量弱信號強度的相干背散射的改進方法，通過使用CCD對數據進行記錄，然后通過數據處理，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。使用數值仿真的方式對

6、方法的可靠性和結果的唯一性進行了驗證，并對不同噪聲程度引起的測量誤差進行了估計。使用CCD測量了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。根據研究的結果，首次提出通過將傳統(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，以簡化測量結果的數據處理，同時不損失相干背散射峰處的細節(jié)信息。 3．對比研究了若丹明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、閾值以上的隨機激光輻射以及我們稱之為帶有部分和較強相干反饋的縱向放大自發(fā)輻射的光譜特性和脈沖特性。通過對比，首次發(fā)現了不同相干反饋的程度對輻射光譜寬度和脈沖形式造成的不同影響。并根據實驗的結果，首次提出了隨機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)現打破了此種沒有尖峰的隨機激光輻射沒有受到相干反饋影響的傳統(tǒng)認識，也有利于加深對激光物理的認知。 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激光輻射的光譜特性，發(fā)現了不同染料濃度和不同散射體濃度下的隨機激光輻射具有著不同的光譜峰值位置。首次發(fā)現了在特定染料濃度下，增加散射體的濃度引起的隨機激光光譜峰值從藍移向紅移轉變的拐點，并且發(fā)現在不同的染料濃度下，這個拐點位置的不同。通過理論研究，首次提出了基于染料的自吸收特性，從隨機激光的輻射光譜峰值提取平均光程的方法，并通過擴散理論，首次驗證了此

9、光譜拐點代表了系統(tǒng)從擴散系統(tǒng)向弱局域化系統(tǒng)的轉化。 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激光輻射的時域演化特性。實驗中首次使用了雙頭光纖測量隨機激光的時域特性，首次測量了隨機激光的脈沖建立時間隨染料濃度和散射體濃度變化的規(guī)律。結合經典激光理論的速率方程和擴散理論，對隨機激光的動力學特性進行了初步研究，并結合實際實驗情況對理論進行了改良。理論同實驗結果進行比較發(fā)現，

10、理論能夠初步說明實驗結果的趨勢。 本文的主要創(chuàng)新點： 1．通過研究端泵固體激光器的熱分布特性，結合失真的衍射理論（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算方法。首次提出熱透鏡焦距不僅和激光器泵浦半徑有關，還和激光的光束半徑有關。分別給出簡化的擬合公式以方便計算應用，研究的結果對高功率固體激光器的優(yōu)化有

11、著重要的意義。 2．通過研究使用CCD記錄的樣品的相干背散射圖像的數據處理，首次給出了快速測量弱信號強度的相干背散射的簡便方法，通過使用CCD對數據進行記錄，然后通過數據處理，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)的擬合結果誤差估計。 3．通過研究使用CCD記錄的樣品的相干背散射圖像的數據處理，首次提出通過將傳統(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，有利于測量結果的進一步數據處理，同時不損失相干背散射的峰值細節(jié)信息。 4．通過對比研究若丹明6G染料溶液的橫向放大自發(fā)輻射、縱向放大自發(fā)輻射、隨機激光輻射以及我們稱之為帶有部分和較強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)現了相干反饋的不同程度對輻射光譜寬度和脈沖形式的不同影響，首次提出了隨機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)現打破了此種沒有尖峰的隨機激光輻射中沒有

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

14、 7．通過研究摻雜有納米TiO2散射體的染料溶液的隨機激光輻射的光譜特性，利用擴散理論，首次提出了隨機激光輻射的光譜拐點代表了系統(tǒng)從擴散系統(tǒng)向弱局域化系統(tǒng)的轉化的觀點。 8．通過研究摻雜有納米TiO2散射體的染料溶液的隨機激光輻射的時域特性，首次測量了隨機激光的脈沖建立時間隨染料濃度和散射體濃度變化的規(guī)律。結合經典激光理論的速率方程和擴散理論，對隨機激光的動力學特性進行了初步研究，并結合實際實驗情況對理論進行了改良。理論同實驗