無(wú)序介質(zhì)激光機(jī)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(wú)序介質(zhì)激光機(jī)理的相關(guān)問(wèn)題，自主提出了活性無(wú)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(duì)無(wú)序介質(zhì)激光機(jī)理、方向無(wú)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(wú)序光子晶體中的局域模進(jìn)行了理論研究和數(shù)值模擬。 從無(wú)序介質(zhì)受激輻射實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出發(fā)，認(rèn)為在無(wú)序介質(zhì)的局部可能存在一些介于完全無(wú)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(shí)，實(shí)現(xiàn)局域模的受激放大。也就是說(shuō)，無(wú)序激光是活性無(wú)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(chǎng)相互作用的結(jié)果。對(duì)應(yīng)于特殊參數(shù)(如粒子大小，泵浦光強(qiáng)度等)具有局域-非周期-類結(jié)構(gòu)的一維活性無(wú)序介質(zhì)中的典型局域模存在幾個(gè)相鄰的局域中心，其尺寸介于0.3-0.7 μm。其次，基于這個(gè)模型，定性解釋了發(fā)射模對(duì)泵浦面積依賴關(guān)系，我們發(fā)現(xiàn)對(duì)不同模的發(fā)射存在不同的泵浦尺寸，對(duì)不同的激發(fā)面積存在不同的發(fā)射模。在無(wú)序介質(zhì)中

3、，當(dāng)泵浦尺寸減小時(shí)，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(jì)算了在不同泵浦功率下活性無(wú)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(wú)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(wú)關(guān)。介質(zhì)中光場(chǎng)相對(duì)強(qiáng)度的形狀與損耗和增益無(wú)關(guān)，損耗和增益只改變介質(zhì)中光場(chǎng)的強(qiáng)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(wú)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(wú)序的單軸晶體散射體構(gòu)成的一維無(wú)序介質(zhì)的局域模。用兩個(gè)主軸折射率之比描述介質(zhì)無(wú)序度，介質(zhì)無(wú)序度對(duì)決定光場(chǎng)狀態(tài)起著重要的作用。當(dāng)無(wú)序度足夠高時(shí)，空間方向無(wú)序?qū)?dǎo)致光場(chǎng)Anderson局域化產(chǎn)生，從而提出了一種新的產(chǎn)生無(wú)序激光的物理機(jī)制。 采用緊束縛法，研究含多個(gè)正(或負(fù))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(wèn)的相互作用

5、對(duì)缺陷模的影響。結(jié)果表明：當(dāng)光通過(guò)含多個(gè)半波缺陷的光子晶體時(shí)，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(duì)稱最后形成一個(gè)缺陷模通帶。理論分析和數(shù)值計(jì)算表明：當(dāng)光通過(guò)含多個(gè)半波負(fù)折射率缺陷的光子晶體時(shí)，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(duì)稱，最后形成一個(gè)缺陷模通帶?？梢?jiàn)，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(wèn)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(duì)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(jì)算了含三個(gè)正(或負(fù))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(duì)應(yīng)的光場(chǎng)強(qiáng)度分布，討論了缺陷間的相互作用對(duì)缺陷模的影響，并進(jìn)行了分析和比較。我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光通過(guò)含多個(gè)半波缺陷的光子晶體時(shí)，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(gè)缺陷模通帶；與正折射率缺陷情形相比較，負(fù)折射率缺陷間的相互作用對(duì)缺陷模的影響更大，缺陷模譜線更寬；與缺陷模頻率對(duì)應(yīng)的光場(chǎng)分布為局域狀態(tài)。 研究介質(zhì)層厚度的非關(guān)聯(lián)無(wú)序變化對(duì)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(jì)算透射譜，討論光透射譜與無(wú)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(wú)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(jì)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(jī)分布對(duì)光學(xué)透射譜的影響，集合平均透射譜與平均無(wú)序程度、頻率有關(guān)。對(duì)于介質(zhì)層厚度的高斯型隨機(jī)分布，個(gè)體隨機(jī)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(wú)序度有關(guān)，隨著平均無(wú)序度的增大，禁帶隙變寬；同時(shí)得到了平均無(wú)序度取不同值時(shí)的集合透射模數(shù)隨頻