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二维随机介质激光发射模式的空间分布特性

常健  
【摘要】:1968年至今,随机介质中的激光出射研究历经了四十多年的时间。随机激光是一个系统,它由散布到光学增益介质内的弹性散射体随机组合而成。其中,光波的多重散射取代了传统激光器的光学谐振腔,增益与散射之间的相互作用决定了激光发射特性。目前研究的随机激光器多数由不规则形状或多分散散射体组成,具有一定的平均散射强度,且在激光频率窗范围内为常量。 传统激光器通常由两部分组成,通过受激辐射过程提供光学增益的激光介质,以及捕获部分光的光学谐振腔。当腔内的增益大于损耗时,系统达到阈值并发射激光;谐振腔决定了激光模式,换句话说,它决定了激光输出的方向性和频率。随机激光工作在同样的原理下,但决定其模式的是多重散射而非激光腔。 本文首先对随机激光的相关理论进行了介绍,对比不同的理论模型,分析其优缺点,选择最佳理论作为本文的理论基础。然后详细介绍了随机激光的研究方法,为后续章节的分析奠定了基础。 围绕随机激光器,模拟分析了一种二维无序介质的随机激光发射,以及散射颗粒参数变化对该介质准态模空间分布造成的影响。以准态模理论为基础,采用时域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain, FDTD)直接求解Maxwell方程组及速率方程组的方法,以TM模为例,得到了准态模空间分布变化的情况。随散射颗粒半径和折射率的增加,准态模频率明显红移;随表面填充率的增加,准态模频率只发生轻微蓝移。


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