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无序介质激光机理的相关研究

谢应茂  
【摘要】: 本论文基于激光物理和光的电磁理论,研究无序介质激光机理的相关问题,自主提出了活性无序介质中受激辐射的一种新的整体散射效应物理模型。我们分别对无序介质激光机理、方向无序单晶散射介质中的局域模、含缺陷光子晶体中的局域模和结构无序光子晶体中的局域模进行了理论研究和数值模拟。 我们从无序介质受激辐射实验现象出发,认为在无序介质的局部可能存在一些介于完全无序和完全有序之间的类结构,称之为“局域-非周期-类结构”,该结构存在复杂的光子局域模。当局域模位于活性介质的增益区时,实现局域模的受激放大。也就是说,无序激光是活性无序介质内的局域-非周期-类结构与相匹配的泵浦光场相互作用的结果。对应于特殊参数(如粒子大小,泵浦光强度等)具有局域-非周期-类结构的一维活性无序介质中的典型局域模存在几个相邻的局域中心,其尺寸介于0.3-0.7μm。其次,基于这个模型,定性解释了发射模对泵浦面积依赖关系,我们发现对不同模的发射存在不同的泵浦尺寸,对不同的激发面积存在不同的发射模。在无序介质中,当泵浦尺寸减小时,发射模的泵浦阈值将增大。第三,我们利用该模型,定性解释了局域模发射的泵浦功率阈值,数值计算了在不同泵浦功率下活性无序介质的典型透射谱,讨论了激发模的泵浦功率阈值,得到局域-非周期-类结构的无序介质的透射谱只与介质的结构有关,而与介质的损耗和增益无关。介质中光场相对强度的形状与损耗和增益无关,损耗和增益只改变介质中光场的强度。品质因子最大的模具有最小的激发阈值,品质因子最小的模具有最大的激发阈值。在无序介质中,不同的激发模具有不同的泵浦功率阈值。 应用传输矩阵法研究了由空间位置有序而光轴空间方向无序的单轴晶体散射体构成的一维无序介质的局域模。用两个主轴折射率之比描述介质无序度,介质无序度对决定光场状态起着重要的作用。当无序度足够高时,空间方向无序将导致光场Anderson局域化产生,从而提出了一种新的产生无序激光的物理机制。 采用紧束缚法,研究含多个正(或负)折射率缺陷的光子晶体中的缺陷模,导出了缺陷模频率方程,讨论了缺陷间的相互作用对缺陷模的影响。结果表明:当光通过含多个半波缺陷的光子晶体时,缺陷光子晶体带隙中的缺陷模出现分裂现象,分裂后的缺陷模数目与半波缺陷数目相同,而缺陷模的间隔随着半波缺陷间隔层数的增加而减小,缺陷模间隔的大小有微小的不对称最后形成一个缺陷模通带。理论分析和数值计算表明:当光通过含多个半波负折射率缺陷的光子晶体时,缺陷光子晶体带隙中的缺陷模出现分裂现象,分裂后的缺陷模数目与半波缺陷数目相同,而缺陷模的间隔随着半波缺陷间隔层数的增加而减小,缺陷模间隔的大小有微小的不对称,最后形成一个缺陷模通带。可见,缺陷模间距的变化依赖于缺陷模间的耦合相互作用,而缺陷模间的耦合相互作用依赖于缺陷介质在光子晶体中的位置,即缺陷介质的位置对缺陷模的频率有重要影响。其次采用传输矩阵方法数值计算了含三个正(或负)折射率缺陷的一维光子晶体的透射谱和与光子带隙中缺陷模频率对应的光场强度分布,讨论了缺陷间的相互作用对缺陷模的影响,并进行了分析和比较。我们发现,当光通过含多个半波缺陷的光子晶体时,在透射谱的禁带中出现缺陷模,缺陷模的数目与半波缺陷数目相同,而缺陷模频率的间隔随着半波缺陷间隔层数的增加而减小,最后形成一个缺陷模通带;与正折射率缺陷情形相比较,负折射率缺陷间的相互作用对缺陷模的影响更大,缺陷模谱线更宽;与缺陷模频率对应的光场分布为局域状态。 研究介质层厚度的非关联无序变化对光波在一维光子晶体中光传输特性的影响,将采用传输矩阵方法计算透射谱,讨论光透射谱与无序程度、频率和介质层数的关系。与周期性结构相比较,光波在这种结构介质中的传播受到不同程度的抑制,透射光受到抑制的程度与无序程度、频率和介质层数有关。该研究为有关光子器件的设计提供了理论依据。其次采用传输矩阵方法,研究了一维光子晶体中介质层厚度的高斯型随机分布对光学透射谱的影响,集合平均透射谱与平均无序程度、频率有关。对于介质层厚度的高斯型随机分布,个体随机结构透射谱禁带隙宽度和集合平均透射谱禁带隙宽度与平均无序度有关,随着平均无序度的增大,禁带隙变宽;同时得到了平均无序度取不同值时的集合透射模数随频率的分布规律。


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