随机增益系统中折射率与增益分布对辐射激光模式的影响

发布时间：2019-09-29 15:14

【摘要】：随机激光具有特殊的工作机理和辐射特性,不需要谐振腔就能产生模式良好的激光辐射,并兼具空间发散性和时间高相干性两个在传统光源中互斥的特性,这使其在微纳光子学领域有着很大的发展潜力。激光模式产生的机制以及对模式的调控是随机激光研究领域中的最基本问题。本文将探索随机增益介质中,除随机散射反馈外由增益分布导致的反馈对辐射激光模式特性的影响,进一步研究随机激光模式产生的内在机制,并依据结论尝试实现对辐射激光模式的控制。通过泵浦掺杂染料的液晶薄膜,可以实现垂直样品表面发射的模式等间距的随机激光辐射。研究中发现在一定实验条件下样品辐射光的模式呈现出类谐振腔激光的等间距分布特性,并且模式间距对应的反馈腔长等于样品自身的厚度。由于样品中的边界反射不足以提供形成等间距模式所需的反馈,我们提出增益分布引起的反馈在样品辐射激光过程中可能对辐射激光模式存在影响,且与折射率分布引起的反射反馈以及随机散射反馈间存在竞争,从而使得液晶激光辐射在改变实验条件时出现随机模式和类谐振腔模式两种可相互转变的模式特性。基于这一假设,可以在薄膜液晶样品中设计实现增益分布引起反馈为主导的增益结构,进而在无边界反射的情况下实现增益分布引起反馈控制的模式等间距的激光辐射。实验中发现样品中液晶的散射强度和泵浦光斑的形状会对该结构中辐射激光的模式特性产生影响,随着液晶散射强度的减弱和对泵浦光斑形状控制的加强,样品辐射激光中等间距分布的激光模式明显增多。这些实验现象说明,在液晶样品产生随机激光辐射的过程中,由增益分布引起的反馈与随机散射反馈对辐射模型均有影响,且两者间根据反馈强度的不同存在竞争关系:当样品中随机散射反馈占主导时,辐射激光表现出随机的模式特性;当样品中增益分布形成的增益分布引起反馈占主导时,辐射激光则表现出类似谐振腔的模式特性,模式间隔由增益形成反馈腔长决定。此外,研究中还使用FDTD算法,利用麦克斯韦方程组和四能级系统速率方程建立一维随机增益介质模型,通过对增益分布引起反馈与谐振腔结构作用结果的对比,从理论上对使用增益分布引起反馈解释液晶随机激光中等间距模式的可行性进行肯定,通过模拟弱散射增益介质中的辐射模式特性,定性的描述不同反馈机制在样品中的竞争过程,并通过模拟高泵浦能量时的辐射光谱,发现辐射模式存在随泵浦能量升高而突然消失的现象。最后,利用以上结论设计增益调制结构,并在计算中实现对辐射激光模式的控制,为进一步研究增益调制的实际应用奠定基础。
【图文】：

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图 1-1 相干反馈的随机激光辐射光谱[4] 1-2 随机激光反馈原理示意图：a) 非相干反馈，b) 相干几年内，随机激光无论是在理论模拟还是在实验究，许多有价值的研究成果相继发表[5-6]。理论方生和作用机制。在 Letokhov 的理论被提出后最初

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图 1-2 随机激光反馈原理示意图：a) 非相干反馈，b) 相干反馈的十几年内，随机激光无论是在理论模拟还是在实验探索和研究，许多有价值的研究成果相继发表[5-6]。理论方面，的产生和作用机制。在 Letokhov 的理论被提出后最初的一被认为只能产生非相干的受激辐射放大，而不能产生具有射。1996 年，DiederikWiersma 通过计算提出，随机激光的激励下，，多重散射增加了光在随机增益介质中的行进路程，射过程中形成的光的闭合环路可以提供一种基于随机散射的式随机的相干反馈的随机激光，产生随机激光的阈值则由间的平衡决定[7]。2003 年，曹慧通过数值计算发现，在随机有序，可以降低产生随机激光的阈值[8]。这种基于弱散射增有时被称为部分随机激光，启发了之后使用液晶作为散射出现。2008 年，HakanTüreci 等提出由于没有谐振腔对模式成的过程中存在强烈的模式竞争[9]，为之后通过控制实验条同模式的选取提供了依据。2009 年，Johannes Fallert 等在
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN241

【参考文献】