横向无序波导阵列中随机激光研究

摘要

光散射是自然界中一种常见的物理现象，尤其是在光波导中，它在光波导中具有两面性：一方面会引起额外的光损耗；另一方面也可以起到有益的作用，如在具有增益的波导中利用散射提供反馈形成随机激光。随机激光是一种新型激光，它依靠光的散射提供反馈并形成反馈回路，从而实现激光激射。与传统的激光器相比，随机激光器没有传统的谐振腔，具有结构简单、谐振腔精度需求不高、控制自由度高等优点。在医疗、生物、光传感和光学成像等领域中具有潜在的应用价值。 本论文基于横向无序波导阵列提出了一种新型随机激光器，研究了其相应的输出特性。提出的随机激光器是在一种圆柱形准光纤波导结构中实现的，即通过在石英毛细管的内侧填充单模光纤等波导结构，并使用激光染料作为增益介质填充于石英毛细管中。这种设计有利于降低随机激光阈值、使输出具有可调谐性，结构中散射介质与增益介质分离，更加稳定且可重复性好。具体的研究工作包括： 首先，针对波导结构进行了数值仿真：利用 FDTD 数值仿真方法，在结构中引入电偶极子作为光源并分析波导中的输出光谱特性；从光谱特性中观察到了随机分布的尖峰，这些尖峰分别对应着不同的谐振模式。谐振模式对应的电场分布在不同区域呈现明亮光带，并且这些不同的模式会产生相互之间的耦合和转化。 然后，分别在实验条件下制作了上述随机激光器的两种不同样品，其中一种样品的波导阵列由未被腐蚀的单模光纤组成，另一种样品中的单模光纤经过了腐蚀处理，这样做的目的是为了提高样品的无序性。通过对两种样品中产生的光谱特性进行分析，发现了其光谱与WGM相类似的现象，且存在一定的随机度。 最后，根据数值仿真和实验，针对横向无序波导阵列在局域化频谱范围内的功率分布特性进行了探究。通过对具有三种不同混乱度（0 %、10 %以及20 %）的仿真结构的功率分布进行分析，观察到横向无序波导阵列中产生了局域化现象，并会产生类似 WGM 的现象，且分布具有随机性。同时，针对不同混乱度对功率分布的影响进行了分析，发现随着混乱度的增加，仿真结构中产生的局域化效果随之增强。

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