无序非线性增益介质中光子局域化及上转换随机激光的研究

本项目通过研究掺铒铌酸锂无序介质中的相干背散射和受激辐射过程，揭示上转换与光子局域化相互作用的物理机制，建立上转换随机激光理论模型，实现低阈值上转换绿光随机激光的发射。制备出不同掺杂浓度、不同颗粒大小的掺铒铌酸锂悬浊液和多孔材料；通过相干背散射的研究，弄清无序介质中上转换荧光的发光特点和影响红外激发光和上转换荧光局域化程度的主要因素；研究泵浦光光强、偏振、温度等条件对随机激光空间分布特性和准态模的影响，弄清上转换过程与光子局域化相互作用的物理机制；结合速率方程和麦克斯韦方程，建立上转换随机激光时域理论；优化铌酸锂多孔材料的掺铒浓度和结构参数，降低随机激光阈值，以期实现连续或准连续光泵浦随机激光的目的。本项目的实施将进一步澄清无序非线性增益介质中光子局域化的过程与机制，降低随机激光产生的阈值，为绿光随机激光在激光显示及微纳光子学器件中的实用化打下坚实的基础。

安德森提出的电子局域化开创了非晶态固体物理学研究的新领域。研究无序非线性增益介质中的光子局域化及随机激光特性是凝聚态光学、微纳光子学器件及新型发光器件探索中的一个崭新的前沿课题，将会对社会、经济的发展产生不可估量的影响。. 我们首先研究了无序体系中的弱局域化行为，包括硅酸锆微晶悬浊液中的相干背散射和无序光子晶格中的平衡扩展态；其次定量分析了自吸收和再发射效应对荧光发射光谱影响，并开发了基于瞬态克尔透镜效应的偏振无关飞秒光学快门技术和利用瞬态光束偏折效应的超宽带飞秒光学快门技术；通过研磨、过滤和烧结，制备了上转换可见三色发光掺铒铌酸锂多孔材料，其传输平均自由程为914nm，其相应光子局域化参数为9.07；建立了上转换随机激光理论模型，通过模拟揭示了上转换与光子局域化相互作用的物理机制；设计了随机激光器系统，实现了绿光上转换随机激光的发射。对其光谱特性、阈值特性以及激发区域的尺寸效应进行了测定，激射阈值约为35-55kW/cm2, 比常规随机激光低一个数量级；优化设计了三原色二维超散射体，并分别模拟电偶极子激励下随机激光的激射行为。发现超散射体随机激光的辐射波长在超散射体最大散射截面波长附近，并且其激射阈值和常规散射体随机激光系统相比，降低了两个数量级。. 在本项目的资助下，我们在Optics Express, Optics Letters, Nanotechnology等期刊发表学术论文11篇，其中SCI检索刊物11篇，EI检索刊物7篇。申请发明专利4项，其中1项PCT国际发明专利；授权国家发明专利2项。国内学术会议邀请报告2次，国际学术会议邀请报告2次。毕业博士生3名，硕士生3名。本项目通过研究掺铒铌酸锂无序介质中的相干背散射和受激辐射过程，建立了上转换随机激光理论模型，揭示了上转换与光子局域化相互作用的物理机制，实现了低阈值上转换绿光随机激光的发射，为绿光随机激光在激光显示及微纳光子学器件中的实用化打下坚实的基础。

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