无序介质激光新机理的研究

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1、第48舟告场学术沙尤——以科学发展观推动科技的创新573参考文献1吴尚纯等．妇葆欣治疗IUD出血副反应的随机多中心临床观察．中国计划生育学杂志，2000，8(4)150～1522高纪，曾苏，孙伯芩等．宫内节育器时月经血量影响的观察中华妇产科杂志，1982，17(4)：214—217作者简介尼罗法·赛提瓦尔地．主治医师，现任妇产科副主任，中华医学会新疆分会会员。无序介质激光新机理的研究。刘正东尤素萍谢应茂王慧琴南昌大学近代物理研究所，南昌，330047摘要与光子通过多次散射形成一个闭合回路或闭合环的理论不同，本文视激光泵浦下的无序介质为一个相互作用的整体。在

2、整体多重散射下的干涉效应导致无序介质激光的产生。因而该激光与无序介质被泉浦的面积和泵浦功率有关，与其颗粒大小及问隔介质的性质有关。本文的数值模拟在定性上与实验吻合。关键词无序介质激光多重散射引言在1968年，前苏联科学院的VladilenLetokhov首次计算了增益介质中随机光放大和光散射的光学特性，认为由于扩散反馈在随机增益介质中产生激光是可能的；1994年，NabilLawandy等人把T

3、02悬浮在若丹明染料中，发现了有增益介质的多次散射。从实验上大大推进了Letokhov的开创性工作；1996年，ArnoldMigus等人在巴黎的应用光学实验室以

4、及荷兰的DifderikWiersma和AdLagendljk通过将激光介质磨成粉末制成随机增益介质，展示了被激发的激光晶体粉末的出射光具有良好的单色性，有瞬态尖峰脉冲输出，这些性质与普通激光是相似的，所不同的是没有外在的光学谐振腔；1999年，美国西北大学的H．Cao研究组在研究ZnO半导体粉末的荧光光谱时，发现了该无序介质的激光发射现象：用Nd：YAG激光器的多倍频光正入射到znO薄膜上，当激发抽运光的强度超过某个阈值时，ZnO出现点状发光，这些亮点在介质中的位置是随机的且随激发场强和被照射区域及角度的变化而变化。经测定，这些发光点的辐射光子统计满足P

5、oisson分布，即：无序介质在一定的条件下出现了激光。这种新的激光发射与传统激光有很大的不同，传统激光器用共振腔来选频并形成相干反馈．而无序介质激光没有共振腔。尤其是它的点状发光(团簇形式的ZnO粉末随机激光尺度可小到微米)，可以实现激光器的微小化并如《自然》杂志的评价“这种微小的尺寸敲开了许多应用的大门”。同时，它可实现短波长受激辐射(如ZnO粉末激光器的纵模频率在紫外线区域)，而当前激光研究的热点问题之一就是寻找短波长激光。这蝗使它在光子集成等方面有很大的潜在应用前景。另外，它的另一方向的发展还①国家自然科学基金(批准号：60278016和10464

6、002)资助的课题。574以科学发展观促进科技创新(中)可能是一种完全新型的面光源。加之它的特殊物理机制、机理和一系列的特殊性质，引起了各方面广泛的关注，因而形成了一个多学科前沿交叉的、全新的研究热点。一、无序介质激光的已有理论1．光子局域化一般认为这种随机激光的机制是对应于安德森(Anderson)的电子局域化理论。当散射和增益很弱时，无序介质的散射为一般的自发辐射。当散射和增益较强而粒子平均自由程小于泵浦光的波长，由于多次散射，光子在介质中的滞留时间增加，在介质中将行经一个长的随机路线而使光波被放大。当散射进一步增强，滞留光子进一步增多，发生强烈干涉效

7、应，形成光的局域化现象。即这个理论认为：光子通过多次散射有可能形成一个闭合回路或闭合环，这些闭合环类似于一个环形共振腔，可以提供相干反馈，实现共振放大的激光。由于不同的闭合环具有不同的光学损耗，因此随着泵浦光强度的不断增加，损耗较大的那些闭合环的增益也将逐步超出损耗而出现逐渐增多的纵膜振荡。2．光在无序介质中的输运过程光在无序介质中存在三种输运过程：弱散射、弱局域化和强局域化过程。当散射和增益很弱时，散射平均自由程大于光波波长，散射很小，只形成一般的漫射，不改变自发辐射发射谱的性质；当散射和增益较强时，散射就能影响发射谱的性质，由于多次散射，光子在介质中将

8、无规则行走一个较长的随机路线，而且增益系数是频率的函数，对于不同频率的光波，其增益系数是不同的，增益系数最大的频率获得最大的放大，这样，在发射谱中形成了尖锐的发射峰，这种现象是增益介质的自发辐射放大(ASE)，是一种类激光现象。Cao．H等人将这类随机激光器称为无相干反馈激光器。当进一步增强散射强度，散射平均自由程等于或小于光的波长时，光子不再像台球弹子那样通过任意方向来回反射传播，而是由于光子的波动性，发生强烈干涉效应，出现光子的局域化，这类随机激光器被称为是相干反馈激光器。二、无序介质激光特点1．阀值观察ZnO粉末薄层的发射谱，当抽运强度较弱时，辐射光

9、呈现出一个较宽的自发辐射谱，光子数呈现玻色一爱困斯坦分布；当抽运强