无序激光器中光扩散的模拟

论文摘要

光波在具有增益的散射介质中的传播和无序激射现象一直受到人们的广泛关注。近几年的一些实验和理论研究表明,无序介质中的受激辐射有着深刻的物理意义和丰富的物理现象,人们把这种利用无序介质受激辐射构成的激光器称为无序激光器。本论文研究讨论了蒙特卡罗法计算无序激光器的阈值,提出了计算无序激光器阈值增益的模型,提出了已知平均自由程和散射强度分布得到分布函数及符合分布的随机变量的方法。对各向同性的光散射,导出了各分布函数,并在每次散射中得到符合分布的随机变量。运用蒙特卡罗法模拟光子在无序介质中的随机行走,得到了无序激光器的阈值。讨论了阈值增益与光子平均自由程、与增益区半径、与增益区深度、与非增益区光吸收系数的关系,提出了降低阈值的方法。理论结果与实验数据是吻合的。研究讨论了无序介质的非相干背散射,利用前节讨论已导出的两种散射相应的分布函数,运用蒙特卡罗法模拟光子在无序介质中的随机行走过程,得到非相干背散射空间分布及反射率。计算结果表明:1、散射不同,非相干背散射空间分布和反射率不同,非相干背散射反射率随光入射角增大而增大;2、非相干背散射反射率随无序介质吸收系数增大而减小,通过测量非相干背散射反射率可得吸收系数,进一步可得每次散射光子被微粒吸收的概率;3、非相干背散射反射率随光子平均自由程增大而减小,通过测量非相干背散射反射率可得平均自由程,这比检测相干背散射来得到平均自由程要容易。研究讨论了无序激光器中激光出射的空间分布,讨论其中一种散射导出相应的分布函数。分析增益区几何形状,运用蒙特卡罗法模拟光子在无序介质中的随机行走,得到激光出射的空间分布。结果表明:在界面法线方向,激光强度最强,随角度增大强度逐渐减弱,并且光强关于法线旋转对称。激光出射的空间分布与无序介质中光子平均自由程有关,据此可通过测量激光出射的空间分布来反推光子平均自由程。出射的激光光子绝大多数(一般95%以上)都是在离界面3个平均自由程距离内散射出来的。

论文目录

• 摘要
• 英文摘要（ABSTRACT）
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 有关无序激光的研究概括
• 1.2.1 Letokhov的理论观点
• 1.2.2 Cao.H等人的理论观点
• 1.2.3 Wiersma.D S等的理论观点
• 1.3 无序激光的研究方向
• 1.3.1 随机激光器的量子光学探讨
• 1.3.2 随机激光器动力学特性的研究
• 1.3.3 随机激光器的光传输理论
• 1.4 本文研究的主要内容及创新
• 第二章 无序激光的实验基础
• 2.1 早期的实验
• 2.2 Cao.H等人的实验介绍与分析
• 第三章 无序激光的理论研究
• 3.1 引言
• 3.2 表征无序激光特性的长度参量
• 3.3 无序激光基本理论研究
• 3.3.1 无序增益介质光散射理论
• 3.3.2 环行腔理论
• 3.3.2.1 速率方程理论
• 3.3.2.2 偶极振荡理论
• 3.3.3 环行波导理论
• 3.4 目前主要采用的理论研究方法
• 第四章 无序介质的光子随机行走的Monte Carlo仿真理论
• 4.1 Monte Carlo方法简介
• 4.2 Monte Carlo模拟光子传输的一般过程
• 4.2.1 光子的随机行走
• 4.2.2 光子的吸收
• 4.2.3 光子的散射
• 4.2.4 光子逸出与反射回介质中
• 4.2.5 光子的终止
• 第五章 无序激光器的光扩散模拟
• 5.1 蒙特卡罗法计算无序激光器的阈值
• 5.1.1 引言
• 5.1.2 物理模型和计算方法
• 5.1.2.1 计算无序激光器阈值增益的模型
• 5.1.2.2 光散射分布函数及符合分布的随机变量
• 5.1.3 模拟的结果
• 5.1.4 分析与讨论
• 5.1.5 小结
• 5.2 无序介质的非相干背散射
• 5.2.1 引言
• 5.2.2 物理模型
• 5.2.3 模拟的结果
• 5.2.4 分析与讨论
• 5.2.5 小结
• 5.3 激光器中激光出射的空间分布
• 5.3.1 引言
• 5.3.2 物理模型
• 5.3.3 计算结果
• 5.3.4 讨论与分析
• 5.3.5 结论
• 第六章 本文总结和未来的工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的研究成果