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随机激光器中准态腔的阈值与其局域化程度的关系 第 53 卷 第 12 期 2004 年 12 月 Vol . 53 ,No . 12 ,December ,2004 物 理 学 报 () 100023290Π2004Π53 12Π4224205 ACTA PHYSICA SINICA ν 2004 Chin. Phys. Soc . 3随机激光器中准态腔的阈值与其局域化程度的关系 ?刘劲松王 宏 ( )华中科技大学激光技术国家重点实验室 , 武汉 430074()2004 年 1 月 14 日收到 ;2004 年 6 月 8 日收到修改稿 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 PACC : 4255 , 4260D 14 ,15 中的安德森局域. 根据这一理论 , 在随机介质 中 ,光波满足的 Maxwell 方程组包括两种本征态 : 扩 11 引 言 展态和局域态 . 局域态通常又称为准态 , 它具有确 定的空间范围与边界 、共振频率 、光子寿命 、谱线宽 美国学者 1994 年用激光束抽运掺有 TiO颗粒 2 度和耦合输出系数等传统光腔所具有的特性 ,并随 1 () 直径为 100 nm 量 级的 染 料 溶 液, 验 证 了 1968 颗粒的种类 、形状 、尺寸 、密度和无序程度而改变 ,因 年由俄国学者提出的随机增益介质中存在随机激光 此它是一种类光腔结构 ,故可称之为准态腔. 准态 2 现象的预言. 这种非相干反馈随机激光器已得到 模理论认为随机激光器的相干反馈源于光波在随机 2 ,3 了广泛的研究. 1999 年 , 旅美中国学者 Cao 等 , 介质中形成的准态腔 ,与传统激光器中相干反馈源 用 266 nm 的皮秒激光脉冲抽运由直径 100 nm 量级 于光腔相类似 . 不过 ,传统激光器通常只有一个光 的 ZnO 颗粒制成的只有微米量级的薄膜或团簇 ,观 腔 ,而随机激光器却有许多准态腔. 此外 ,传统光腔 4 测到了谱线宽度非常窄的激光辐射,从此揭开了 可以支持许多个光波模式 ,而一个准态腔只能支持 4 —13 研究相干反馈随机激光器的序幕. 目前 ,随机 () 一个光波模式 称之为准态模. 准态模理论得到了 激光器已成为国际激光界的热门研究领域. 有关 数 值 模 拟 的 验 证 , 并 与 实 验 观 测 结 果 相 一 相干反馈是激光器工作的基本条件 . 在传统激 光器中 ,除分布反馈激光器等特例外 ,相干反馈是由 光学谐振腔完成的. 但随机激光器没有光学谐振腔 11 ,12 () 因而又称其为无镜激光,相干反馈是如何完成的 ? 致 . 激光器的阈值是描述其特性的一个重要参数. 在 ZnO 薄膜或团簇上观测到的激光辐射 ,其谱线宽 4 对于传统激光器 ,阈值同其光腔结构有关 . 然而 ,对 度非常窄 ,小于 013 nm,这说明相干反馈发挥了关 随机激 光 器 而 言 , 阈 值 与 准 态 腔 的 结 构 究 竟 有 怎 键作用. 可是 ,相干反馈从何而来 ? 这已成为研究 4 —7 样的关系 ,尚 未 得 到 研 究 . 本 文 用 有 限 时 域 差 分 的一个热点. 已有的随机激光理论包括光散射 ( ) FDTD法和 Fourier 变换 , 数 值 计 算 了 光 波 满 足 的 3 8 9 理论、偶极振荡理论、环形波导理论和准态模Maxwell 方程组 ,分析了 ZnO 随机介质中准态腔及其 所支持的准态模的空间分布 、频谱特性和时间演化. —通过引入复折射率 n = n + i n 的虚部 n 描述介质的 增益效应 ,我们研究了不同准态模在一定的增益条 10 —13 理论等,其中准态模理论对随机激光器相干反 件下的放大特性及其与准态腔空间分布的关系. 结 馈机制的解释最具说服力 . 准态模理论的物理基础是光波在有限随机介质 3 ( ( ) ) 国家自然科学基金 批准号 湖北省自然科学基金重点项目 批准号 :2001ABA003资助的课题. ?E- mail :jsliu4508 @sina . com 果表明 ,准态腔的阈值与其空间局域化强弱的程度 121 随机介质中光波的放大 2有关. 局域化强的准态腔 ,其空间分布区域较小