光子弱局域化对PLZT光致发光以及随机激光的调制

发布时间：2020-06-26 11:17

【摘要】：光子在非均匀介质中传播时会受到多重散射作用,当多重散射达到一定程度时,有机会形成弱局域化。光子弱局域化作为近些年的热点课题之一在粉末材料、一维和二维光子晶体、冷原子气中被普遍研究,并被广泛应用到数据存储、医学检测、激光调控等方面。对于激光调控方面的研究一直是人们关注的焦点,尤其是对其转换效率、小型化和集成化方面的要求日益迫切。稀土掺杂锆钛酸铅镧陶瓷作为一种优异的激光增益材料被应用到新型激光器研制中。材料中大量的陷阱分布和丰富的光致电荷积累区使其在一定条件下能够产成光子弱局域化,这对材料的发光以及随机激光有着十分显著的调节作用,为提高激光器效率以及小型化提供了重要途径,而且对随机激光方面的研究是当前最为前沿的研究方向之一。本课题正是立足于此,在实现稀土掺杂锆钛酸铅镧陶瓷光子弱局域化的基础上,对材料的频率上转换发光、光放大以及随机激光进行调制,从而有望得到高效率小体积的可调谐激光器。另外,通过对材料中陷阱分布规律的探索和研究,为该类材料中光子弱局域化和随机激光等相关研究提供理论基础。本论文第一部分对产生光子弱局域化的基础即材料中的陷阱分布规律进行探索。通过分析材料组分及结构,并结合光照条件下光谱变化规律对陷阱分布特点进行探索。通过对不同波长光辐照下材料透射谱和透过率变化趋势的分析,建立陷阱分布模型。基于此模型,利用电子跃迁速率方程对观察到的现象进行数值仿真,从而对陷阱分布模型的正确性进行验证。利用短波照射后样品透射谱的变化规律对陷阱分布模型进行改进,为研究稀土掺杂PLZT陶瓷中的光子弱局域化和随机激光提供理论基础。基于PLZT陶瓷中的陷阱分布模型,论文第二部分利用钕掺杂PLZT块状材料,在808 nm激光照射下实现了光子弱局域化。在此基础上,通过对样品散射截面和吸收截面的分析,选取1064 nm信号光进行光放大实验,得到了高达670%的光放大倍数。针对此结果,一方面引入强散射理论进行定量分析,另一方面结合陷阱分布模型和电子跃迁过程做出理论解释,并利用光子弱局域化对光放大动态过程进行分析。通过测量材料在不同泵浦光照射下的动态光电流,对光生电荷积累物理模型的正确性进行验证。基于以上实验结果和理论分析,可以通过改变泵浦光强度控制材料中的散射体密度,进而对光放大过程进行调制。为增强材料的多重散射使之更容易实现光子弱局域化,论文第三部分利用颗粒状的PLZT陶瓷样品进行实验。在实现光子弱局域化的基础上,设计了1480nm近红外光激发下铒、镱双掺PLZT陶瓷的多光子上转换实验并观察到了高强度的三光子上转换发光现象与背向探测光放大现象。基于陷阱分布模型,利用光子弱局域化和能级跃迁规律对此上转换发光过程进行分析。通过调节样品表面泵浦光强实现对光子弱局域化程度的控制,进而对上转换发光强度以及输出波长进行调制。为进一步加强材料的多重散射,在论文第四部分利用飞秒激光热处理技术将PLZT材料加工成柱状纳米阵列结构。利用532 nm纳秒激光器作为泵浦光对钕掺杂材料中的相干反馈随机激光进行研究,观察到发射峰峰值变窄以及从自发辐射到受激辐射的转变,这是随机激光产生的显著特征。对不同强度和不同方向泵浦光激发下样品的随机激光发射谱,随机激光振荡曲线以及激光发射方向进行实验和理论分析。结合该过程中所涉及的速率方程和随机激光振荡频率方程对不同泵浦光照下的振荡曲线进行理论模拟。建立相干反馈随机激光理论模型,利用不同泵浦强度下的光子弱局域化对随机激光光谱特征进行分析。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ174.7;TN248
【图文】：

示意图,局域化,示意图,平均自由程

哈尔滨工业大学理学博士学位论文非均匀介质中，电磁传输的电场方程可以表示为 1-2 所示形式2 222 2E ( E ) E E0c c 光子经过多重散射形成局域时，其传播平均自由程满足关系 k被称作 Ioffe Regel 判据[31]。其中传播平均自由程 l 表示光子在之前所走过的平均距离[32]。iersma 于 1997 年对光子 Anderson 局域化的形成过程进行了描-1 所示，球形颗粒表示介质中的散射颗粒，星形位置表示入射过如图所示的两条随机路径回到入射点，这两个沿同一环路方因此具有相同的相位并在 A 点发生干涉，这就使得回到 A 点光[21]。随着平均自由程的减小，满足这样条件的光子回路越来越度达到某一阈值时，形成光子局域化[21]。同时该文章中还提出域是不发生吸收的区域。

背向散射光,角分布,粉末,强度

第 1 章绪论射光强度呈三角锥形分布。理论和实验均表明介质的无序度越大，即电磁波传播方程中的介电常数浮动越大，对应的锥宽越宽，反之则越窄[33,36]。如图1-5 所示为 Wiersma 等人在 1997 年发表在 Nature 杂志上关于背向散射角分布的一个典型示例，两种尺寸不同的 GaAs 粉末在波长为 1064 nm 特定功率激光的照射下发生了光子 Anderson 局域化[21]。其中，光子在无序度较小的样品中的背向散射强度角分布如图 1-5a)所示，其 kl 值为 76，图 1-5b)所示为无序度较大的样品中的实验结果，对应的 kl 值为 1.5，是图 1-5a)中的 1/50。由这两个实验结果可以得知，介质无序度越小对应的背向散射角锥宽越窄。

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