随机激光辐射特性的理论研究与数值模拟

论文题目: 随机激光辐射特性的理论研究与数值模拟

论文类型: 博士论文

论文专业: 物理电子学

作者: 王宏

导师: 刘劲松

关键词: 激光物理,随机激光,选模技术,随机介质的光学特性,时域有限差分法,传输矩阵法

文献来源: 华中科技大学

发表年度: 2005

论文摘要: 随机介质通常是指一种折射率在光波长尺度内随机变化的介质,光波在这样的介质中表现出许多光学特性,其中随机激光(Random Lasers)是最令人感兴趣的现象。这种随机增益介质中的受激辐射现象,不需要传统的激光腔,而是形成于光子的局域化。对这一现象的研究开辟了光波局域化和激光物理的新领域,而且可能研制出一种新型微腔激光器。本文基于激光物理、固体物理和光波局域化理论,分析了随机激光器的形成机制和光学特性。详细介绍了有限时域差分法和传输矩阵法的理论和算法,着重讨论和分析了激励源、PML 吸收边界条件、准态模的测量技术等几个关键问题,这些因素直接影响模拟结果。根据概率论和数理统计的有关知识,我们建立了描述一维、二维ZnO 随机介质统计模型,并用传输矩阵法(TMM),有限时域差分法(FDTD)计算了介质中电场的空间分布和时间演化特性。为了描述电磁场的放大特性,我们采用了几种不同的方法将光学增益引入到模型中,这构成几种不同的模型。我们研究和对比了这几个模型的特点和应用范围。基于光波局域化理论,详细地研究了1D 和2D 随机介质中,介电常数的空间涨落对光波空间分布和准态模频谱特性的影响。模拟结果显示,介质中散射微粒的不同分布将形成不同结构的随机介质。这些结构对光波的多重散射,将延长光波在介质中的滞留时间,其作用类似于一个谐振腔。这种类光腔结构随机地分布在介质中,其数量、位置和分布决定于散射微粒的随机结构。准态模的Q 值是和随机激光密切相关的参数。TMM 法模拟的结果显示,在1D 随机介质中准态模的Q 值依赖于随机强度的大小,在某些随机强度下准态模具有很高的Q 值。基于激光物理的选模理论,研究了随机激光器的选模技术。几种不同的选模技术,包括局域泵浦、调整增益曲线和改变介质的边界等用于准态模的选择激发。模拟结果显示,这些方法可以有效地控制准态模的放大。通过分析随机激光器的阈值,探讨了降低随机激光器阈值的方法和技术。模拟结果显示,局域化较强的准态模有较小的阈值,能够首先激发。双光子泵浦是一种有效

论文目录:

摘要

ABSTRUCT

1 绪论

1.1 随机激光器的研究进展

1.2 随机激光器的实验基础

1.3 本文研究的主要内容及创新

2 随机激光器的基本理论

2.1 随机激光理论解决的关键问题

2.2 扩散理论对随机激光的研究

2.3 局域化理论对随机激光的研究

2.4 随机激光器的准态模理论

2.5 本章小结

3 随机激光器的数值计算方法

3.1 准态模的计算方法

3.2 FDTD 法的基本原理

3.3 吸收边界条件(ABC)

3.4 PML 吸收边界条件

3.5 激励源的设置与模式的激发

3.6 准态模的测量方法和Q 值的计算

3.7 随机介质中光学增益的模拟

3.8 传输矩阵法(TMM)的基本原理

4 随机性对光学特性的影响

4.1 随机性对光波空间分布的影响

4.2 准态模的频谱特性

4.3 准态模的阈值和局域化长度

5 随机介质中准态模的控制、选择激发和单模运行

5.1 随机激光器的局域泵浦

5.2 调节随机介质增益系数选模

5.3 随机激光的单模激发

5.4 介质参数对准态模的影响

5.5 本章小结

6 低阈值随机激光器的研究

6.1 双光子泵浦随机激光器

6.2 随机介质中准态模的空间分布和阈值特性

6.3 部分随机介质中的准态模

7 随机介质的制备

7.1 脉冲激光沉积法(PLD)制备ZnO 薄膜

7.2 ZnO 薄膜的受激辐射

7.3 PLD 制备ZnO 薄膜的实验参数

7.4 ZnO 薄膜中随机激光测试方案

7.5 飞秒激光器制备GaAs (砷化镓)部分随机介质的原理

8 全文总结和未来的工作

8.1 随机激光器的理论和模拟研究

8.2 随机激光器的应用前景

致谢

参考文献

附录 1 攻读学位期间发表的学术论文

发布时间: 2006-04-05

参考文献

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