随机激光器中准态腔的阈值与其局域化程度的关系

基于光波在有限随机介质中的局域化理论，利用有限时域差分法数值求解Maxwell方程 组，研究了随机介质中的激光现象，分析了准态模的放大与其 空间局域性的关系. 通过研究二维非增益随机介质中光波的局域化，确定了准态模的空间分 布和频谱特征. 通过引入增益，研究了准态模的放大过程和阈值特性. 结果表明空间局域化 强的准态模在增益介质中被优先放大，且有较低的阈值. 关键词： 随机激光器 准态模 随机介质中的光学特性     

二维随机激光器的模式选择及阈值与饱和特性

基于将Maxwell方程与四能级原子系统速率方程相结合而建立起随机激光时域理论，并利用有限时域差分法，研究了二维随机介质中激光模式的输出特性与介质尺寸、外形及抽运速率等参数的关系.结果表明，与传统激光模式相似，随机激光模式的强度随抽运速率的变化不仅具有阈值特性，而且具有饱和特性.基于模式特性对介质及抽运参数的依赖关系，提出了二维随机激光器的选模方式，在很大程度上不同于传统激光器的选模方式. 关键词： 随机激光器 模式选择 无序介质中的光学特性     

一维光子晶体缺陷模激光器的放大特性

光子晶体中引入缺陷后将形成缺陷模,这些缺陷模在增益介质中将被放大形成激光。基于麦克斯韦方程和速率方程相结合的模型,用时域有限差分法(FDTD)计算和分析了一维单缺陷光子晶体激光器中缺陷模的空间分布和频谱特性,以及这些缺陷模的放大特性,主要研究了缺陷层的厚度、晶体层数对缺陷模放大特性的影响。模拟结果显示,类似于传统激光腔的腔模,这些缺陷模能够被放大,形成激光。调整缺陷层的厚度、晶体层数等结构参量,将改变缺陷模的谐振,激射频率以及空间分布,这将直接影响激射阈值和饱和特性。增加晶体的层数,激光器的阈值将降低,饱和值将增加,但晶体层数增加到一定限度时,这种增减趋势变弱。模拟结果证明了有效层数的存在。     

一维光子晶体带边激光器的阈值特性分析

采用麦克斯韦方程和速率方程相结合的模型和时域有限差分法,利用引入的有效增益分布因子概念研究了光子晶体中本征模的阈值特性。增益介质的大小以及在光子晶体中的位置直接影响光子晶体带边激光器的输出特性;有效增益分布因子描述了光子晶体中增益介质的空间分布特性。结果显示,带边本征模的激射阈值依赖于有效增益分布因子。不同的本征模具有不同的有效增益分布因子,那些有效增益分布因子较大的模式具有较低的阈值。通过调整增益介质的位置和长度,可以提高有效增益分布因子的值,从而降低激光器的阈值,这对于实现激光器的低阈值运行有指导作用。     

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。     

二维随机介质中准态模的频谱时间演化特性

采用时域有限差分法数值求解Maxwell方程组，分析了平面随机介质中光波模式的频谱时间演化特性.随机介质的特征可以用散射颗粒的随机构形、介质参数（如颗粒的尺寸和填充率等）以及介质形态等因素来描述.这些因素决定了随机介质在准稳态下模式的频率特性与数量，但具有不同因素的随机介质中模式的产生、选择与演化，具有大致相同的特征与速度.平面随机介质的这些冷腔特性，与传统光腔中模式的产生、选择和演化的特征非常相似. 关键词： 激光物理 随机激光器 无序介质中的光学特性     

光子晶体晶粒尺寸和排列结构对随机激光辐射特性的影响

研究了光子晶体对随机激光器的输出特性的调控,并分析了光子晶体的晶粒尺寸和排列结构等对调控作用的影响.对于同一随机介质而言,上下表面用同种材料不同晶粒尺寸的光子晶体覆盖,结果显示:晶粒尺寸合适的光子晶体会使光在系统中来回振荡从而得到很好的放大,使系统中的光与随机增益介质的相互作用加强,激光阈值降低;同时还对激光模式有较强的调制能力,能在一定程度上抑制自发辐射,使之向所需要的频率内辐射.但如果光子晶体的晶粒尺寸与随机增益介质结构匹配不当,则光子晶体对激光模式调制能力较弱,光场能量不能有效地被局域在系统中,系统 关键词： 有限时域差分法 光子晶体 随机激光 辐射特性     

掺杂硅石纳米粉末的染料随机激光发射

针对染料随机激光器特性与应用研究,讨论了无序介质中荧光粒子和额外散射粒子的发光性质、浓度变化以及颗粒尺寸与随机激光发射阈值之间的关系。采用时域有限差分法直接求解Maxwell方程组及速率方程组的方法,模拟仿真出了相应的发射谱线及浓度变化与激光发射阈值的关系曲线。所设计的样品中Rh6G-SiO2的质量分数为4%,其阈值大小为8.5 J/pulse时,额外微小散射体TiO2的加入对该介质随机激光发射产生的影响很小,可忽略不计。在此基础上,通过进一步模拟分析了处于不同条件和背景下随机激光的阈值特性。     

掺杂硅石纳米粉末的染料随机激光发射

针对染料随机激光器特性与应用研究,讨论了无序介质中荧光粒子和额外散射粒子的发光性质、浓度变化以及颗粒尺寸与随机激光发射阈值之间的关系。采用时域有限差分法直接求解Maxwell方程组及速率方程组的方法,模拟仿真出了相应的发射谱线及浓度变化与激光发射阈值的关系曲线。所设计的样品中Rh6G-SiO2的质量分数为4%,其阈值大小为8.5 J/pulse时,额外微小散射体TiO2的加入对该介质随机激光发射产生的影响很小,可忽略不计。在此基础上,通过进一步模拟分析了处于不同条件和背景下随机激光的阈值特性。     

一维随机激光器中准态模的饱和特性研究

针对随机激光器的半经典理论是应用电磁场时域有限差分法数值求解半经典随机激光模型方程组，基于半经典理论数值研究了一维随机激光器中准态模式的饱和特性，获得了不同准态模的空间分布和频谱分布图。计算结果分析显示：准态模式的某些特征参数如局域程度将会影响系统的饱和特性。利用这一结果，可以通过单频抽运方法选择具有低阈值、高饱和强度的准态模式作为整个激光系统的稳态输出模式。     

Numerical study of random lasing in three dimensional amplifying disordered media

In this paper, the lasing action in three-dimensional active random systems has been numerically investigated. Here, random systems of spherical dielectric particles imbedded in an active medium are considered. The quasi steady state approximation for the population inversion of the active medium is applied to solve three dimensional governing equations. Results show that when the density of particles increases to an upper limit, the intensity of lasing modes is enhanced. Also, the effects of pumping rate and particle size on the number of lasing modes and their intensity are studied. Lasing threshold of laser modes in different disordered systems is calculated and it is shown that by an appropriate selection of the central frequency of gain line-shape, the output power intensity of random lasers increases. These results are in agreement with the experimental results observed by others.     

一维随机介质中准态模式的局域化程度对其阈值的影响

基于将Maxweil方程与四能级原子系统速率方程相结合而建立起的随机激光时域理论,并利用有限时域差分法,研究了一维随机激活介质中激光模式的输出强度与抽运速率之间的关系.结果表明,与传统激光模式相似,随机激光模式的强度随抽运速率的变化不仅具有阈值特性,而且具有饱和特性.用模式的空间区域来表征模式的局域化程度,发现局域化程度越强的模式,阈值越低.不过,这种关系不是一一对应的.这表明模式的局域化程度是决定阈值大小的重要因素,但不是唯一的因素.     

Theoretical research on the random lasing from two-dimensional anisotropic media consisted of liquid crystal and mixed dye

The random lasing action in two-dimensional random media is investigated by simultaneously solving Maxwell’s equations and rate equations of electronic population. The random media are composed of scattering liquid crystal (LC) particles and mixed dye materials. The anisotropic scattering LC particles are arranged to be disordered in the spatial orientation of their optical axes. A parameter K = n _o /n _e ≤ 1 which denotes the ratio of the refractive indexes at two principal axes is defined to characterize the degree of the orientational disorder. The number of the lasing modes increases quickly with the decreasing of ratio K. In addition, the simulation of the external modulation of dielectric constant is studied. Results indicate that the spectrum intensity would be enhanced; whilst the frequencies of the lasing modes do not change significantly.     

Effect of Pump Area on Lasing Modes in Active Random Media

We investigate the effect of pump area on lasing modes in an active random medium. Considering the structure characteristics in a real experimental system, the random medium is divided into two regions, i.e. pump and non-pump areas. The dependence of lasing modes on the pump area is qualitatively explained by means of the model in which the lasing is ascribed to the interaction of the complex localized modes in the active random medium with local aperiodic quasi-structure with appropriate pump light. There exist different pump sizes for lasing with different modes. As the pump size decreases in this random system, the pump threshold of the lasing modes increases. There are different lasing modes in different excitation regions in this random system. This gives us some information about the dependence of lasing modes on pump areas in active random media.     

The competition between two polarization states in two-dimensional random medium

In a two-dimensional random medium, when the transverse magnetic (TM) polarization state and the transverse electric (TE) polarization state share the same population inversion, there is a competition in the population inversion between the two states. Such competition is analyzed by using the finite difference time domain method to numerically solve Maxwell equations with a set of system parameters. The results indicate that TM state has a larger lasing threshold than TE state does so that TM state is strongly suppressed by TE state in the competition. The larger the size of the medium, the easier the lasing modes in TM state appears.