随机介质中的相干背散射

相干背散射是由于随机介质中的多次散射而导致的一种自相干效应。通过多年的探索,人们在实验和理论研究方面取得了一系列激动人心的进展。本文介绍了相干背散射的基本原理和实验方法,总结了当前的研究进展。     

随机介质的相干背散射与局域化研究

研究了不同尺度参数和粒子浓度下的ZnO随机介质相干背散射强度的分布规律,采用时域有限差分法分析了不同浓度随机介质的光场能量空间分布,预测了随机激光器阈值的高低。结果表明:同一折射率的介质随着介质尺寸的增大,相干背散射的带宽变窄,局域化参量kl值相应增大,使得局域化程度呈较大幅度减弱趋势;并且随着介质浓度的增加,相干背散射的带宽变宽,局域化程度增强,阈值降低。相干背散射有着光子局域化的先期特征,现在已成为研究光子局域化出现与否的基本判断依据,对研究光子局域化以及随机激光器具有重要意义。     

随机介质中电磁波空间分布特性研究

采用随机介质统计模型和FDTD方法模拟了随机介质电场空间分布根据光子局域化理论,讨论了电场的空间分布和介电常数涨落的关系,结果表明,在一定的介质密度下,电磁场是局域化的,其空间分布和介质介电常数的涨落密切相关.     

强非局域非线性介质中的非相干孤子研究

本文从一维强非局域非线性模型出发,推导出非相干光满足的非线性薛定谔方程.按照相干密度描述方法,写出非相干光的描述方式,求出了非相干光孤子的形成条件和孤子形式,还得到了相干光和非相干光在强非局域非线性介质中形成孤子的临界功率,结果说明非相干光形成孤子时,需要更高的能量.当非相干光孤子的条件不满足时,非相干光束以呈现振荡行为.空间振荡周期仅与介质、入射的非相干光的光功率有关,而与光源的非相干角功率谱宽度及具体组分无关.同时,我们还数值模拟了这种非相干光束的振荡行为和单一组分、一对组分的非相干强度演化过程.     

粉末随机激光辐射

粉末随机激光辐射是一种刚刚被人们发现的激光过程,这种激光由粉末状介质的多次散射来提供光学反馈,不需要外加谐振腔。随机激光辐射过程除了对激光物理有很大意义之外,还有巨大的应用前景,例如,有可能在平板场发射显示器中得到广泛应用,文章介绍了粉末激光的原理及其实现过程。     

随机介质背散射二维Mueller矩阵的数值模拟与分析

推导了随机介质背散射Mueller矩阵的直接计算公式,并运用矢量Monte Carlo方法进行了数值模拟.结果表明随机介质背散射二维Mueller矩阵方位关系随散射系数的减小而增强,而与微粒大小关系不大;Mueller矩阵元素绝对值的空间分布随径向呈近似指数规律衰减,矩阵元素的方位变化具有周期性.对称系统的二维Mueller矩阵的花样图中仅有7幅独立,其余9幅可通过对称、旋转变换得到.     

双激光脉冲在相干介质中的传播特性

从密度矩阵形式的Bloch方程和Maxwell传播方程出发,建立了二能级双脉冲传播的三维半经典理论模式,并给出了数值求解结果-考察了双脉冲在介质中的时空演化,发现了三维空间中双脉冲合并的特性,并与单脉冲的传播进行了比较- 关键词：     

光在二维无序介质中的动态传播过程

用有限时域差分 FDTD 法研究了光在二维无序介质中的动态传播过程.数值模拟了某一高斯脉冲光束入射到无序介质中光场的空间分布随时间的演化,结果表明：在光束入射的初期,能量从光源区向外传播并出现了清晰的波前传播的特点;经过一定的时间后,有部分能量从光源区向外扩散,而大部分能量逐渐聚集在介质中的一些小区域内,这与整体散射模型关于无序介质中光子局域化的研究相吻合,而且更清晰地呈现了形成光子局域化过程中的物理现象及整体散射干涉效应的重要机理作用.     

二维随机介质中柱面波传播及其局域性的随机泛函分析

分析了二维各向同性均匀随机介质中柱面波的传播特性及局域化现象.用随机泛函理论,在频域内将随机介电起伏展开成柱坐标系下的Wiener积分式,将波场表示为内外行柱面波的线性和,求解二维Helmholtz波动方程,得到随机介电起伏对柱面波幅度与相位调制的解析表达.由柱面波能量的空间分布验证了波的局域化现象,并求解局域化长度.二维随机介质中平面波按柱面波展开的波转换方程与非随机介质中的情形有相似的表达,但具有随机介电起伏对幅度和相位的调制,并给出数值模拟结果.     

光在二维无序介质中的动态传播过程

用有限时域差分 FDTD 法研究了光在二维无序介质中的动态传播过程.数值模拟了某一高斯脉冲光束入射到无序介质中光场的空间分布随时间的演化,结果表明:在光束入射的初期,能量从光源区向外传播并出现了清晰的波前传播的特点;经过一定的时间后,有部分能量从光源区向外扩散,而大部分能量逐渐聚集在介质中的一些小区域内,这与整体散射模型关于无序介质中光子局域化的研究相吻合,而且更清晰地呈现了形成光子局域化过程中的物理现象及整体散射干涉效应的重要机理作用.     

一维随机介质内光波模式的频率微分特性研究

本文用数值方法在有限尺寸的随机介质中求解麦克斯韦方程组,对一维随机激光器的频率微分特性进行了研究.结果表明每个随机散射颗粒都对介质内光波模式的频率形成有不同的贡献,散射颗粒尺寸和位置的微小变化会使介质内光波频率发生变化.处于局域化中心位置的介质膜,它们厚度的变化对输出频率的影响较大,局域化区域以外位置处的薄膜,它们的厚度的变化对频率的影响则非常微小.     

本征态的局域化与增益介质中局域态的放大

用时域有限差分方法(FDTD)模拟了二维增益、非增益随机介质中的光学现象。在非增益介质中，观察到了局域态空间分布及其频率特征。在增益介质中，观察到局域态的放大过程。模拟结果显示非增益介质中的局域态相当于传统激光腔的腔模，随机激光是由局域态谐振产生的。     

随机光纤激光器中光纤与随机介质匹配问题的研究

降低阈值是随机激光实用化的前提, 随机光纤激光器是将随机增益介质填充到空芯光子晶体光纤中利 用其光子禁带来降低阈值的一种随机激光器. 理论分析表明: 在光子晶体光纤光子禁带的约束下, 随机光纤激光器中的大部分能量被集中在芯区传播, 这使局域在芯区的光与随机介质相互作用得到增强, 激发效率得以提高. 然而, 光纤填充介质后, 纤芯等效折射率发生了改变, 光子带隙也会随之移动, 因此当选用带隙光纤来降低阈值时, 只考虑光纤本身的带隙是不够的, 应考虑到介质的增益频率和填充后的光子带隙之间的匹配问题, 合理选择光纤或介质的材料, 如果匹配得当, 光子禁带对激光的调控能力会更强, 激光阈值有望得到更大程度的降低. 关键词： 随机激光 光子晶体光纤 光子禁带 阈值     

二维各向同性均匀随机介质中平面波的传播及其局域性

讨论了二维各向同性均匀随机介质中平面波的传播及其局域性.假设二维随机介质具有各向同性窄带高斯谱,运用随机泛函理论给出了二维介质中随机平面驻波的解析近似解及其幅度和相位的定量统计特性.计算结果证实了波在随机介质中传播时的局域性.将二维介质中的平面波和柱面波的传播特性作了对比.数值结果模拟了二维随机介质场及平面驻波,并验证了本文结果的正确性. 关键词： 随机介质 随机泛函 平面波 局域性     

纳米随机激光

介绍了以纳米ZnO粉末作为增益介质产生的随机激光。讲述了随机激光的特点、发展历史和它的应用前景。文章以随机激光的理论为基础，描述了四种主要的用于随机激光研究的方法。     

同材质颗粒不同填充密度的随机介质中光场的空间分布

用时域有限差分法研究了同一材质的颗粒在不同填充密度下的随机介质中光局域化问题. 依据随机介质激光的实验参数,模拟了颗粒填充密度不同的随机介质中光场的空间分布. 结果表明：当散射颗粒的散射平均自由程与波长相当时,随机介质中的光场分布呈现局域化的特征,而且随着颗粒填充密度增大,光场的局域化程度增强. 因此,在同样的抽运激励下,颗粒填充密度越大的随机增益介质越容易产生激光辐射. 数值模拟结果与实验定性符合. 关键词： 随机激光 时域有限差分法 颗粒填充密度 局域化     

被散射介质遮挡目标的相干衍射成像实验

激光照明条件下,可以利用相干衍射成像方法重建被照明物体的清晰图像。按照传统方法,若物体被散射介质遮挡,则需要提前标定或者引入全息实验中使用的参考光才能重建清晰的图像。我们提出了一种线性模型,即使存在散射层的干扰,仍旧能够通过实验获得的功率谱重建被遮挡物体,而无需预先标定。实验结果表明,该方法利用傅立叶变换的精确功率谱图像可以快速收敛至唯一正确的重构解,重建隐藏物体的清晰图像。     

超短THz脉冲在随机散射介质中的传播

用Monte-Carlo方法模拟了超短THz脉冲在随机散射介质中的传播.根据Mie理论计算出随机散射介质的散射系数和各向异性因子，研究了随机散射颗粒及介质厚度的大小对透射脉冲的影响.结果表明在Mie散射范围内，在相同的浓度下，颗粒尺寸越小，散射介质越厚，THz散射越严重，对透射脉冲的影响越大.散射同时降低了THz脉冲在随机散射介质中的成像分辨率. 关键词： 超短THz脉冲 随机散射介质 Mie理论 Monte-Carlo方法     

非局域颗粒复合介质的相干完美吸收效应

研究了两束相干光以相同的入射角从左、右两侧分别入射到Au-SiO_2复合介质板时,在不同的体系参数下该复合材料体系发生相干完美吸收的情形.运用有效媒质理论推导出了复合介质的有效介电常数以及有效磁导率;在得到有效电磁参数的基础上进一步推导得到平面波入射复合介质板时的反/透射系数.通过比较分析非局域和局域情况下颗粒复合介质的相干完美吸收现象,发现当颗粒尺寸很小时非局域效应的影响会导致复合介质产生相干完美吸收的入射光的频率范围显著变宽.在进一步的解析计算中,通过调节复合介质板的厚度、入射光波长、金属颗粒体积分数等参数得到了不同情况下产生的相干完美吸收现象,并由此分析非局域情形下对于相干完美吸收现象的调控.