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。     

修正的频域有限差分法在二维金属光子晶体分析中的应用

与介质光子晶体相比,金属光子晶体的带隙特性在毫米波和亚毫米波波段有着重要的应用价值.基于Yee网格的频域有限差分法推导得出的本征模方程,求解后能方便而又可靠地得出介质光子晶体的带隙图和场分布.但由于金属与介质的本质差异,该方法不能直接应用于金属光子晶体.文中引入了金属表面边界条件,推导了二维金属周期结构的光子带隙本征模方程.通过数值计算,得出了不同晶格结构（正方/三角格子）下两种模式（TE/TM）的全禁带特性,并与介质周期结构的禁带特性进行对比,分析了金属周期结构在模式选择和器件集成方面的优点.     

修正的频域有限差分法在二维金属光子晶体分析中的应用

与介质光子晶体相比,金属光子晶体的带隙特性在毫米波和亚毫米波波段有着重要的应用价值.基于Yee网格的频域有限差分法推导得出的本征模方程,求解后能方便而又可靠地得出介质光子晶体的带隙图和场分布.但由于金属与介质的本质差异,该方法不能直接应用于金属光子晶体.文中引入了金属表面边界条件,推导了二维金属周期结构的光子带隙本征模方程.通过数值计算,得出了不同晶格结构（正方/三角格子）下两种模式（TE/TM）的全禁带特性,并与介质周期结构的禁带特性进行对比,分析了金属周期结构在模式选择和器件集成方面的优点. 关键词： 金属光子晶体 频域有限差分法 全禁带     

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     

一维Kerr非线性光子晶体中的场分布

研究具有Kerr非线性的一维光子晶体中场的分布.计算光子晶体中加入Kerr非线性材料后,入射光强对光子晶体中场分布极大值位置的调制,发现随着光强的增加,峰值位置向入射端移动.同时,由于非线性的作用,随着光强的变化,线性光量子阱中的电磁本征模将进入线性带隙,带隙中将出现没有线性本征模对应项的新孤子类电磁模.     

一维光子晶体激光器中模场的空间分布及其对阈值的影响

采用有限时域差分（FDTD）法和传输矩阵法（TMM）计算了一维光子晶体微腔中模式的阈值和模场的空间分布,并用局域化长度和模面积描述了其空间分布特性.着重研究了模场的空间分布对阈值特性的影响.模拟结果显示,激光器的阈值依赖于模式的空间分布,局域化长度和模面积最小的模式具有最低阈值.通过调节包括缺陷宽度、光学厚度比、折射率比等介质参量,可以有效地调节模式的局域化长度和模面积,从而降低激光器的阈值.     

光子晶体激光器阈值特性的理论研究

针对光子晶体激光器的结构特点,并考虑到非辐射复合及增益饱和效应的影响,运用速率方程研究了光子晶体激光器的阈值特性。由爱因斯坦A、B系数的关系,得出了自发辐射耦合因子的变化并不独立于腔体积的结论,并给出其具体数学表达式。分析了自发辐射耦合因子、表面复合速率、有源区体积及品质因子对光子晶体激光器阈值电流的影响。结果表明,经过优化处理,可以较好地降低光子晶体激光器的阈值电流,为无阈值激光器的实现提供了理论依据。     

具有复介电常量二维光子晶体的特性研究

采用平面波展开法,通过数值模拟研究了具有复介电常量的二维光子晶体的能带结构和光传输特性,重点讨论介电常量的虚部为负值情形时对传输特性的影响。研究表明由于光子带隙的存在有效地抑制了频率位于带隙内光的自发辐射。当在介质中掺入具有增益特性的杂质时,即使两种介质的介电常量相差很小,在靠近光子带隙边缘,出现了较强的受激辐射放大。通常在带隙的边缘处,光子晶体的群速度较小,而激光阈值正比于群速度的平方,当群速度很小时,激光阈值将大大减小。这为实现零阈值激光器提供了基础,也为制作光放大微器件提供了一个有益的理论参考。     

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     

四能级增益介质光子晶体激光器的时域有限差分模型与模拟

基于Maxwell-Bloch方程和速率方程相结合的模型,模拟包括四能级增益介质光子晶体激光器的光学特性.根据FDTD法的基本原理,给出方程的Yee氏离散方程.通过计算电场的时域特性,模拟光子晶体激光器的频谱特性、阈值特性、动力学演化等过程,模拟结果和理论结论一致,检验了该模型的有效性.     

Investigations of laser oscillation and switching using a resonance at the band edge crossover in an hetero-structure of one-dimensional photonic crystals

This paper presents a theoretical investigation of a laser oscillator and a laser switch, using a hetero-structure made of two one-dimensional photonic crystals with active materials and a period ratio of r (r > 1). Lasing is achieved near frequencies where the upper and lower band edges of the adjacent photonic crystals overlap (i.e., band edge resonance). Near the band edge resonance, two modes of laser oscillations are found; mode A – the threshold gain increases with r and mode B – the threshold gain decreases with r. By assuming a homogenously broadened gain medium at any particular r, only one of the two modes is able to participate in lasing. We also found the lasing mode is switchable upon a very small alteration in the refractive index of the materials present in the photonic crystal. The results of the paper will be very useful for designing a new class of tunable lasers and high sensitivity sensors.     

染料掺杂光子晶体荧光带隙边缘的激射研究

利用激光全息光刻技术, 在重铬酸盐明胶 感光材料中制备了掺杂有机染料的层状光子晶体. 在532 nm纳秒脉冲激光激励下, 样品的荧光光谱表现出良好的带隙特征; 随着抽运能量的增加, 在荧光带隙带边位置获得了激射光, 并进一步研究了光子晶体的带边位置与染料荧光峰的匹配对激射的影响.带边位置越靠近染料的荧光峰, 激射阈值越低, 反之则不易产生激射.该研究为超低阈值光子晶体激光器的发展提供了思路和方法. 关键词： 全息光刻 光子晶体 荧光带隙 低阈值激射     

Transition of lasing modes in disordered active photonic crystals

The transition from a photonic band-edge laser to a random laser in two-dimensional active photonic crystals is described. The lasing modes in the active photonic crystals shift from the edge of the photonic bandgap to the bulk of the gap when a certain amount of position and size disorder is introduced. The shift of lasing modes is determined with various gain profiles. The results show that the modulation of lasing modes is significant when the lasing transition wavelength overlaps the photonic bandgap.     

电场作用下染料掺杂手性向列相液晶器件激光辐射谱研究

研究了电场作用下染料掺杂手性向列相液晶器件激光辐射谱。设计了两种电极结构,分别对正性和负性液晶器件施加横向和纵向电场,采用532 nm的Nd∶YAG脉冲固体激光器泵浦样品。对正性液晶器件施加电场,在 630～660 nm范围获得多波长的激光输出。对负性液晶激光器件施加电场,获得调谐范围为18.5 nm的激光输出。由器件织构和光子禁带的变化,进行了深入的分析。正性液晶器件,在电场力矩与扭曲力矩相互竞争过程中,引起液晶的流动,光子禁带上下浮动,因此不仅在禁带边沿,禁带内也出现激光辐射。而负性液晶器件随着电场强度增大,液晶螺距收缩,禁带蓝移,输出激光波长从681.0 nm蓝移到662.5 nm,出射激光波长为光子禁带边沿处。负性液晶器件在电场作用下的稳定性较好。     

Low threshold laser cavities of two-dimensional photonic crystal line defect mode

Two-dimensional (2D) rod-type photonic crystal (PC) line defect waveguide (LDW) laser cavities based on three types of line defect modes with zero group velocity are studied by using finite-difference time-domain (FDTD) method. These laser cavities have high quality (Q) factor, better localization of light, non-uniform gain distribution and small overlap between gain medium and light field. Therefore, they have the advantages over conventional and air-bridge PC cavities with uniform gain, such as low threshold, single mode lasing and effectively avoiding thermal effect. From their comparison, one can find the mode at middle Brillouin zones (BZ) is the best one to be used as lasing mode. Its dynamic lasing process and lasing features are demonstrated by the numerical experiment where the FDTD method coupling Maxwell's equations with the rate equations of electronic population is used.     

Photonic crystal fibre Brillouin laser based on Bragg grating Fabry-Perot cavity

A photonic crystal fibre Brillouin laser based on fibre Bragg grating Fabr-Perot cavity is presented. A highly nonlinear photonic crystal fibre 25 m in length is used as Brillouin gain medium and fibre Bragg grating Fabry-Perot cavity is chosen in order to enhance the laser conversion efficiency and suppress the higher-order Stokes waves. The laser reaches the threshold at input power of 35 mW, and the experimental laser conversion efficiency achieves 18% of the input power of 140 mW and does not show higher-order Stokes waves. A photonic crystal fibre Brillouin laser with shorter fibre length and lower threshold is experimentally realized.