隨機(jī)激光輻射特性的理論研究與數(shù)值模擬.pdf

1、隨機(jī)介質(zhì)通常是指一種折射率在光波長尺度內(nèi)隨機(jī)變化的介質(zhì)，光波在這樣的介質(zhì)中表現(xiàn)出許多光學(xué)特性，其中隨機(jī)激光（Random Lasers ）是最令人感興趣的現(xiàn)象。這種隨機(jī)增益介質(zhì)中的受激輻射現(xiàn)象，不需要傳統(tǒng)的激光腔，而是形成于光子的局域化。對這一現(xiàn)象的研究開辟了光波局域化和激光物理的新領(lǐng)域，而且可能研制出一種新型微腔激光器。本文基于激光物理、固體物理和光波局域化理論，分析了隨機(jī)激光器的形成機(jī)制和光學(xué)特性。 詳細(xì)介紹了有限時域差分

2、法和傳輸矩陣法的理論和算法，著重討論和分析了激勵源、PML 吸收邊界條件、準(zhǔn)態(tài)模的測量技術(shù)等幾個關(guān)鍵問題，這些因素直接影響模擬結(jié)果。根據(jù)概率論和數(shù)理統(tǒng)計的有關(guān)知識，我們建立了描述一維、二維ZnO 隨機(jī)介質(zhì)統(tǒng)計模型，并用傳輸矩陣法(TMM)，有限時域差分法（FDTD ）計算了介質(zhì)中電場的空間分布和時間演化特性。為了描述電磁場的放大特性，我們采用了幾種不同的方法將光學(xué)增益引入到模型中，這構(gòu)成幾種不同的模型。我們研究和對比了這幾個模型的特點和

3、應(yīng)用范圍。 基于光波局域化理論，詳細(xì)地研究了1D 和2D 隨機(jī)介質(zhì)中，介電常數(shù)的空間漲落對光波空間分布和準(zhǔn)態(tài)模頻譜特性的影響。模擬結(jié)果顯示，介質(zhì)中散射微粒的不同分布將形成不同結(jié)構(gòu)的隨機(jī)介質(zhì)。這些結(jié)構(gòu)對光波的多重散射，將延長光波在介質(zhì)中的滯留時間，其作用類似于一個諧振腔。這種類光腔結(jié)構(gòu)隨機(jī)地分布在介質(zhì)中，其數(shù)量、位置和分布決定于散射微粒的隨機(jī)結(jié)構(gòu)。準(zhǔn)態(tài)模的Q 值是和隨機(jī)激光密切相關(guān)的參數(shù)。TMM 法模擬的結(jié)果顯示，在1D 隨機(jī)介質(zhì)

4、中準(zhǔn)態(tài)模的Q 值依賴于隨機(jī)強(qiáng)度的大小，在某些隨機(jī)強(qiáng)度下準(zhǔn)態(tài)模具有很高的Q 值。 基于激光物理的選模理論，研究了隨機(jī)激光器的選模技術(shù)。幾種不同的選模技術(shù)，包括局域泵浦、調(diào)整增益曲線和改變介質(zhì)的邊界等用于準(zhǔn)態(tài)模的選擇激發(fā)。模擬結(jié)果顯示，這些方法可以有效地控制準(zhǔn)態(tài)模的放大。 通過分析隨機(jī)激光器的閾值，探討了降低隨機(jī)激光器閾值的方法和技術(shù)。模擬結(jié)果顯示，局域化較強(qiáng)的準(zhǔn)態(tài)模有較小的閾值，能夠首先激發(fā)。雙光子泵浦是一種有效的降低隨機(jī)