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随机激光的光学特性及其调制的理论研究

王慧琴  
【摘要】: 本文围绕随机介质激光的光学特性及应用,分别对随机介质的光子局域化、能量分布、频谱特性、模式竞争等问题及光子晶体对其辐射特性的调制进行了研究;提出了一种柔性随机半导体激光器的制备方案,为制备具有良好加工性能的、可用于集成光路的、低成本的低阈值微型激光器提供了一条新途径和理论依据。 作为全文的理论基础,详细地介绍了转移矩阵法(TMM)和有限时域差分(FDTD)法的理论和算法,在分析现有的实验现象和理论的基础上,提出了一种新的整体散射效应理论。 基于整体散射效应理论,模拟了一维随机介质的局域模的分布,分析了激光辐射与泵浦面积的关系。利用激光物理理论对ZnO粉末的激光输出特性进行了模拟,结果与实验定性吻合,较好地解释无序激光的实验现象。 对二维随机介质一系列的光学特性进行了研究,结果显示:光在二维随机介质中呈局域化分布,局域化与介质的结构和激发光的波长均有关,局域化程度与介质颗粒填充密度有关,填充密度越大局域化程度越强,所需的激发阈值越低。随机介质的谱呈自发辐射特性,整体谱的能量较弱,表明单纯的随机介质激光阈值比较高。在随机介质中由于介质颗粒的随机分布会形成一些结构不同的准封闭区域,不同的准封闭区域对应的谱不同,发射谱还与激发波长有关,当激发波长与准封闭区域的结构参数偏差较大时,频谱会此消彼涨,能量衰减较快;而当激发波长与该结构参数接近时,频谱结构相对稳定,能量衰减较慢。随机激光是随机介质与激发光相互作用的整体散射结果。 为了对随机介质的辐射输出进行有效的控制和利用,提出用光子晶体来抑制随机介质的自发辐射,使其向所需要的频率辐射的构思。并对此进行了数值模拟,结果发现光子晶体不仅可使系统局域光的能力得到了增强,提高系统的有效增益,降低激光阈值,而且光子晶体还能抑制团簇中的自发辐射,起到调制激光模式的作用。而且还分析了光子晶体的外形、晶格颗粒尺寸、结构类型、介电常数等各种结构参数对调制作用的影响。在此基础上提出了一种柔性的随机半导体激光器的设计方案,并对这种柔性半导体激光器的光学特性进行理论研究,结果显示这种柔性半导体激光器有较好的光学性能。


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