ZnO随机激光器的设计及特性研究

发布时间：2017-06-07 11:22

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【摘要】：随机激光器是学者们目前研究的一种新型的微腔激光器,这种激光器是在受激辐射的机理上提出来的。由于其特殊的发光原理及光学特性,使得越来越多的学者开始研究随机激光器。与传统的激光器不同,随机激光器没有光学谐振腔。随机激光器中的反馈来自两种可能的机制：一种是光被无序介质与空气的界面局部反射回介质内部,从而形成反馈。另一种是光束在无序介质内形成闭合回路(这个闭合回路称为环形腔),从而起到类似于谐振腔的反馈作用。由于散射粒子的分布是随机的,因此出现环形腔的位置是随机的,随机激光器出射激光的频率、方向、强度都具有随机性。与传统激光器出射激光的单一性相比,随机激光器出射激光的频谱图、模式数量、激光强度等,会随着随机介质的体积、泵浦面积、泵浦强度等的变化而变化。本文以随机散射粒子的发光原理及光波导的传播特性为基本原理,提出了种新型的随机激光器结构,优化结构参数,来研究随机激光器中光波的耦合,并对随机激光器的辐射特性进行分析。因此总结本文的主要工作可以分为以下点：(1)阐述了学者们研究随机激光器的目的和意义、随机激光器特点、研究现状等。同时分析了目前随机激光研究领域中存在的问题,为新型随机激光器结构的设计提供了思路。(2)以随机激光器的原理及基本理论为基础,提出并设计了基于波导、Au和ZnO的新型随机激光器结构。利用时域有限差分(FDTD)方法,对该随机激光散射系统进行数值模拟,得到了随机激光器系统的光场分布和模式频谱图,并针对金粒子和金薄膜两种情况进行了对比分析。结果显示,采用金粒子夹层时,出射激光模式数量减少,且单色性较好；而采用金薄膜夹层时,出射激光光强较大。(3)设计了带有两个圆形缺陷的ZnO随机激光器,即在随机分布的氧化锌散射粒子中形成两个对称的圆形缺陷。利用时域有限差分法数值模拟了二维随机散射系统中两个对称圆形缺陷间的距离D变化时的光场分布及模式频谱图,并进行对比分析。分析出射激光的强度和中心波长与D的关系,得到D=0.8μm时为最佳情况。理想情况下,观察散射系统在仿真过程中的光场分布图。结果显示,两个圆形缺陷之间的电场强度经过耦合得到放大,且随着D的增大,出射激光的强度增强、光谱线宽度减小,模式数量减少。
【关键词】：随机激光器 波导 光场分布 模式频谱 时域有限差分法
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN248
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-18
• 1.1 研究随机激光器的背景和意义11-12
• 1.2 随机激光器的研究现状及存在问题12-14
• 1.3 随机激光器的特点14-15
• 1.4 随机激光器的应用前景15-16
• 1.5 本文的主要研究内容16-18
• 第2章 随机激光器的理论研究方法18-24
• 2.1 引言18
• 2.2 随机激光器原理18-19
• 2.3 随机激光器中的散射体材料19-20
• 2.4 随机激光基本理论20-23
• 2.4.1 环形腔理论20-21
• 2.4.2 环形波导理论21
• 2.4.3 准态模理论21-22
• 2.4.4 模式耦合理论22-23
• 2.5 本章小结23-24
• 第3章 随机激光器的数值研究方法24-37
• 3.1 引言24
• 3.2 FDTD基本原理24-34
• 3.2.1 Maxwell方程下的FDTD形式及Yee元胞24-28
• 3.2.2 直角坐标系中的FDTD28-30
• 3.2.3 数值稳定性30-32
• 3.2.4 PML边界条件的设置32-33
• 3.2.5 激励源的设置33-34
• 3.3 随机介质中光学增益的模拟34-36
• 3.4 本章小结36-37
• 第4章 平板波导ZnO随机激光器的设计37-53
• 4.1 引言37
• 4.2 平板介质光波导理论37-38
• 4.3 线性光波导的电磁性分析38-44
• 4.3.1 电磁场基本方程38-40
• 4.3.2 电磁波模式性质40-41
• 4.3.3 传输模的场分布41-43
• 4.3.4 导模截止条件43-44
• 4.3.5 归一化参量44
• 4.4 基于Au和ZnO的波导随机激光器的研究44-52
• 4.4.1 随机散射系统结构设计45
• 4.4.2 FDTD数值模拟45-46
• 4.4.3 随机散射系统辐射特性分析46-52
• 4.4.4 随机散射系统结果分析52
• 4.5 本章小结52-53
• 第5章 双缺陷ZnO随机激光器的设计53-65
• 5.1 引言53
• 5.2 一般随机激光器的时域理论分析53-55
• 5.3 一般随机激光器的辐射特性分析55
• 5.4 缺陷ZnO随机激光器的结构设计及辐射特性分析55-63
• 5.4.1 缺陷ZnO随机激光器散射系统的结构设计56
• 5.4.2 FDTD法数值模拟56-57
• 5.4.3 缺陷ZnO随机激光器辐射特性分析57-62
• 5.4.4 缺陷ZnO随机散射系统结果分析62-63
• 5.5 本章小结63-65
• 结论65-66
• 参考文献66-70
• 攻读硕士学位期间的主要成果70-71
• 致谢71

  本文关键词：ZnO随机激光器的设计及特性研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：428932