【摘要】：光散射是自然界中一種常見的物理現(xiàn)象,尤其是在光波導(dǎo)中,它在光波導(dǎo)中具有兩面性,一方面會(huì)引起額外損耗,另一方面,也可以發(fā)揮有益的作用,如在具有增益的波導(dǎo)中利用散射提供反饋形成隨機(jī)激光。隨機(jī)激光是一種新型的激光,它是依靠光的散射提供反饋并形成反饋回路,實(shí)現(xiàn)激光激射。與傳統(tǒng)激光器相比,它具有結(jié)構(gòu)簡單、不需要高精度的諧振腔、控制自由度高等優(yōu)點(diǎn),在醫(yī)療、生物和成像等領(lǐng)域中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。本論文基于圓柱形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)提出了一種新型微腔隨機(jī)激光器,并對獲得的隨機(jī)激光進(jìn)行調(diào)控。提出的隨機(jī)激光器是在一種圓柱形的準(zhǔn)光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn),即通過在石英毛細(xì)管的內(nèi)層中涂覆無序納米顆粒層,并使用激光染料作為增益介質(zhì)填充于纖芯。這種設(shè)計(jì)有利于降低隨機(jī)激光閾值、輸出具有可調(diào)諧性,且結(jié)構(gòu)中散射層與激光染料分離,與傳統(tǒng)的隨機(jī)激光無法分離散射介質(zhì)以及激光染料相比,更加穩(wěn)定且可重復(fù)利用。具體內(nèi)容如下所述:首先是針對光纖結(jié)構(gòu)的數(shù)值仿真:利用冷腔分析(增益介質(zhì)的增益系數(shù)為零),在結(jié)構(gòu)中引入電偶極子作為光源并改變散射顆粒數(shù)目,得到散射顆粒對輸出光譜等特性的影響規(guī)律;從冷腔光譜中觀察到了部分模式最終形成激光激射,對應(yīng)的電場分布圖在不同區(qū)域呈現(xiàn)明亮的散斑,即產(chǎn)生了光子局域化效應(yīng);在此基礎(chǔ)上,引入增益介質(zhì)(增益介質(zhì)系數(shù)不為零),進(jìn)一步探究結(jié)構(gòu)的輸出模式。然后,我們在增益介質(zhì)結(jié)構(gòu)中引入了單個(gè)銀納米點(diǎn),旨在實(shí)現(xiàn)對于隨機(jī)激光的調(diào)控。發(fā)現(xiàn)銀納米點(diǎn)對于系統(tǒng)光子局域化造成的干擾會(huì)導(dǎo)致激光模式的消失或者其它模式的出現(xiàn),輸出模式、強(qiáng)度等對于納米顆粒的位置非常敏感,證明了銀納米點(diǎn)的加入可以實(shí)現(xiàn)對于隨機(jī)激光很好的調(diào)控,反之通過隨機(jī)激光輸出頻譜的變化也可對納米點(diǎn)的位置進(jìn)行定位。最后,實(shí)驗(yàn)制作了上述隨機(jī)激光樣品,并通過改變增益介質(zhì)折射率以及散射介質(zhì)顆粒半徑等手段,分析了隨機(jī)激光輸出的模式強(qiáng)度、波長偏移等特性的變化規(guī)律。
文內(nèi)圖片：
圖片說明： 因?yàn)槟芗?jí)的不連續(xù)，如果讓原子自發(fā)輻射，得到的光子狀態(tài)就不是單一了。而受激輻射則是令某一頻率的光子刺激處于激發(fā)態(tài)的原子，而粒子的躍遷就會(huì)在這個(gè)光子的刺激下激發(fā)出一個(gè)與該光子同樣能量同樣狀態(tài)的光子。這個(gè)狀態(tài)不停的重復(fù)著，迅速的以 2 的指數(shù)次方增加，最終形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。相比自發(fā)輻射，受激輻射能得到的光子都是具有同樣狀態(tài)的，這也是激光形成所不可缺少的步驟。所以為了形成激光，需要兩個(gè)重要步驟，提供能量的泵浦以及受激輻射所需要的激光工作物質(zhì)。泵浦提供能量使得粒子躍遷到高能級(jí)上，合適的激光工作物質(zhì)則是原子激射出同樣狀態(tài)的光子所需的刺激源。但是僅僅這兩個(gè)元素還不足以形成激光，因?yàn)槭芗ぽ椛涞倪^程中，光子激射的方向是不固定的，這就導(dǎo)致得到的光能量弱，相位差以及方向性不好。這樣的光模式會(huì)變多，無法作為良好的激光，如圖 2-1（a）所示。為了解決受激輻射所導(dǎo)致光的模式多樣這個(gè)問題，諧振腔的構(gòu)想被提出。1958 年湯斯等人通過制作了一對平行的反射鏡，并在反射鏡之間加入激活介質(zhì)而做出了一個(gè)諧振腔。這個(gè)裝置的巧妙在于一面鏡子是全反鏡，一面鏡子并不是全反鏡，所以當(dāng)光子受激輻射，多個(gè)模式在鏡子之間不停的行走，并從非全反的鏡子中透出去。如圖 2-1（b）所示。
文內(nèi)圖片：
圖片說明： 圖 2-2 反轉(zhuǎn)分布結(jié)構(gòu)(a)、(b)和(c)分別對應(yīng)二、三、四能級(jí)系統(tǒng)介質(zhì)的能級(jí)是決定激射光譜的原因。二能級(jí)結(jié)構(gòu)的介質(zhì)因?yàn)槠淠芗?jí)只有一層，所以當(dāng)粒子得到能量躍遷到高能級(jí)上粒子也是以自發(fā)輻射為主要，粒子無法累計(jì)也就無法形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而二能級(jí)結(jié)構(gòu)無法成為增益介質(zhì)，，如圖 2-2（a）所示。為了實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，介質(zhì)需要能令粒子可長時(shí)間停留的能級(jí)，這種能級(jí)稱為亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，如圖 2-2（b)、2-2(c)。能實(shí)現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的能級(jí)結(jié)構(gòu)最主要是三能級(jí)以及四能級(jí)結(jié)構(gòu)。三能級(jí)結(jié)構(gòu)為了要把粒子送到亞穩(wěn)態(tài)，則要大能量把粒子從 E1 送到 E2，這樣對于能量的效率使用是很低的。而四能級(jí)結(jié)構(gòu)則需要能差較小的 E3 與 E2 中反轉(zhuǎn)則可以，對于泵浦要求則低很多，所以增益介質(zhì)的結(jié)構(gòu)最主要是四能級(jí)結(jié)構(gòu)。我們所要討論的無序包層微腔結(jié)構(gòu)的隨機(jī)激光所需要的增益介質(zhì)是要填充到空心光纖或者毛細(xì)管中，也就是光需要在增益介質(zhì)中行走，所以想得到需要的光譜這對于增益的折射率也要有一定的要求。為了得到的光譜具有更好的可調(diào)性，隨機(jī)激光所需要的增益介質(zhì)要滿足對光的吸收小且容易依附于毛細(xì)管或空心光纖。目前空心光纖
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN252;TN24

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 Xueyuan Du;Hanwei Zhang;Xiaolin Wang;Pu Zhou;Zejin Liu;;Investigation on random distributed feedback Raman fiber laser with linear polarized output[J];Photonics Research;2015年02期

2 烏日娜;鄔小嬌;吳杰;岱欽;;光子晶體液晶光纖隨機(jī)激光研究[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2015年02期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 胡志家;隨機(jī)光纖激光波導(dǎo)效應(yīng)的研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2014年

2 劉海;二維隨機(jī)介質(zhì)內(nèi)光波模式的偏振特性研究[D];華中科技大學(xué);2009年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 呂昆;DCM和羅丹明590激光染料的發(fā)光動(dòng)力學(xué)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2011年

本文編號(hào)：2514178