光波导结构中无序包层微腔随机激光特性研究

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，一方面会引起额外损耗，另一方面，也可以发挥有益的作用，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的激光，它是依靠光的散射提供反馈并形成反馈回路，实现激光激射。与传统激光器相比，它具有结构简单、不需要高精度的谐振腔、控制自由度高等优点，在医疗、生物和成像等领域中具有潜在的应用价值。
　　本论文基于圆柱形波导结构提出了一种新型微腔随机激光器，并对获得的随机激光进行调控。提出的随机激光器是在一种圆柱形的准光纤波导结构中实现，即通过在石英毛细管的内层中涂覆无序纳米颗粒层，并使用激光染料作为增益介质填充于纤芯。这种设计有利于降低随机激光阈值、输出具有可调谐性，且结构中散射层与激光染料分离，与传统的随机激光无法分离散射介质以及激光染料相比，更加稳定且可重复利用。具体内容如下所述：
　　首先是针对光纤结构的数值仿真：利用冷腔分析（增益介质的增益系数为零），在结构中引入电偶极子作为光源并改变散射颗粒数目，得到散射颗粒对输出光谱等特性的影响规律；从冷腔光谱中观察到了部分模式最终形成激光激射，对应的电场分布图在不同区域呈现明亮的散斑，即产生了光子局域化效应；在此基础上，引入增益介质（增益介质系数不为零），进一步探究结构的输出模式。
　　然后，我们在增益介质结构中引入了单个银纳米点，旨在实现对于随机激光的调控。发现银纳米点对于系统光子局域化造成的干扰会导致激光模式的消失或者其它模式的出现，输出模式、强度等对于纳米颗粒的位置非常敏感，证明了银纳米点的加入可以实现对于随机激光很好的调控，反之通过随机激光输出频谱的变化也可对纳米点的位置进行定位。
　　最后，实验制作了上述随机激光样品，并通过改变增益介质折射率以及散射介质颗粒半径等手段，分析了随机激光输出的模式强度、波长偏移等特性的变化规律。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 随机激光研究背景与意义

1.2 各类随机激光的研究现状

1.3 论文的主要工作

第二章 光波导中无序包层微腔随机激光原理

2.1 激光的基本原理

2.2 随机激光的激射条件

2.3 光波导结构中无序包层微腔下随机激光原理

2.4 相干型随机激光与非相干型随机激光

2.5 本章小结

第三章 光波导结构中无序包层微腔随机激光理论仿真

3.1 光波导结构中无序包层微腔的冷腔随机激光模型

3.2 光波导结构中无序包层微腔加入增益介质的随机激光模型

3.3 光波导结构中无序包层微腔随机激光的制作

3.4 本章总结

第四章 光波导结构中无序包层微腔随机激光特性研究

4.1 加入银纳米点对于结构中随机激光的影响

4.2 不同折射率的增益介质对于结构中随机激光的影响

4.3 不同散射介质对于结构中随机激光的影响

4.4 本章总结

第五章 全文总结与展望

5.1 全文内容总结

5.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果