光波导结构中无序包层微腔随机激光特性研究

发布时间：2019-07-13 17:46

【摘要】：光散射是自然界中一种常见的物理现象,尤其是在光波导中,它在光波导中具有两面性,一方面会引起额外损耗,另一方面,也可以发挥有益的作用,如在具有增益的波导中利用散射提供反馈形成随机激光。随机激光是一种新型的激光,它是依靠光的散射提供反馈并形成反馈回路,实现激光激射。与传统激光器相比,它具有结构简单、不需要高精度的谐振腔、控制自由度高等优点,在医疗、生物和成像等领域中具有潜在的应用价值。本论文基于圆柱形波导结构提出了一种新型微腔随机激光器,并对获得的随机激光进行调控。提出的随机激光器是在一种圆柱形的准光纤波导结构中实现,即通过在石英毛细管的内层中涂覆无序纳米颗粒层,并使用激光染料作为增益介质填充于纤芯。这种设计有利于降低随机激光阈值、输出具有可调谐性,且结构中散射层与激光染料分离,与传统的随机激光无法分离散射介质以及激光染料相比,更加稳定且可重复利用。具体内容如下所述:首先是针对光纤结构的数值仿真:利用冷腔分析(增益介质的增益系数为零),在结构中引入电偶极子作为光源并改变散射颗粒数目,得到散射颗粒对输出光谱等特性的影响规律;从冷腔光谱中观察到了部分模式最终形成激光激射,对应的电场分布图在不同区域呈现明亮的散斑,即产生了光子局域化效应;在此基础上,引入增益介质(增益介质系数不为零),进一步探究结构的输出模式。然后,我们在增益介质结构中引入了单个银纳米点,旨在实现对于随机激光的调控。发现银纳米点对于系统光子局域化造成的干扰会导致激光模式的消失或者其它模式的出现,输出模式、强度等对于纳米颗粒的位置非常敏感,证明了银纳米点的加入可以实现对于随机激光很好的调控,反之通过随机激光输出频谱的变化也可对纳米点的位置进行定位。最后,实验制作了上述随机激光样品,并通过改变增益介质折射率以及散射介质颗粒半径等手段,分析了随机激光输出的模式强度、波长偏移等特性的变化规律。
文内图片：增益介质与谐振腔中光得到放大

图片说明：因为能级的不连续，如果让原子自发辐射，得到的光子状态就不是单一了。而受激辐射则是令某一频率的光子刺激处于激发态的原子，而粒子的跃迁就会在这个光子的刺激下激发出一个与该光子同样能量同样状态的光子。这个状态不停的重复着，迅速的以 2 的指数次方增加，最终形成粒子数反转。相比自发辐射，受激辐射能得到的光子都是具有同样状态的，这也是激光形成所不可缺少的步骤。所以为了形成激光，需要两个重要步骤，提供能量的泵浦以及受激辐射所需要的激光工作物质。泵浦提供能量使得粒子跃迁到高能级上，合适的激光工作物质则是原子激射出同样状态的光子所需的刺激源。但是仅仅这两个元素还不足以形成激光，因为受激辐射的过程中，光子激射的方向是不固定的，这就导致得到的光能量弱，相位差以及方向性不好。这样的光模式会变多，无法作为良好的激光，如图 2-1（a）所示。为了解决受激辐射所导致光的模式多样这个问题，谐振腔的构想被提出。1958 年汤斯等人通过制作了一对平行的反射镜，并在反射镜之间加入激活介质而做出了一个谐振腔。这个装置的巧妙在于一面镜子是全反镜，一面镜子并不是全反镜，所以当光子受激辐射，多个模式在镜子之间不停的行走，并从非全反的镜子中透出去。如图 2-1（b）所示。
文内图片：

图片说明：图 2-2 反转分布结构(a)、(b)和(c)分别对应二、三、四能级系统介质的能级是决定激射光谱的原因。二能级结构的介质因为其能级只有一层，所以当粒子得到能量跃迁到高能级上粒子也是以自发辐射为主要，粒子无法累计也就无法形成粒子数反转，从而二能级结构无法成为增益介质，，如图 2-2（a）所示。为了实现粒子数反转，介质需要能令粒子可长时间停留的能级，这种能级称为亚稳态能级，如图 2-2（b)、2-2(c)。能实现亚稳态的能级结构最主要是三能级以及四能级结构。三能级结构为了要把粒子送到亚稳态，则要大能量把粒子从 E1 送到 E2，这样对于能量的效率使用是很低的。而四能级结构则需要能差较小的 E3 与 E2 中反转则可以，对于泵浦要求则低很多，所以增益介质的结构最主要是四能级结构。我们所要讨论的无序包层微腔结构的随机激光所需要的增益介质是要填充到空心光纤或者毛细管中，也就是光需要在增益介质中行走，所以想得到需要的光谱这对于增益的折射率也要有一定的要求。为了得到的光谱具有更好的可调性，随机激光所需要的增益介质要满足对光的吸收小且容易依附于毛细管或空心光纤。目前空心光纤
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN252;TN24

【参考文献】