（光学工程专业论文）结合传统激光理论与随机激光研究光子局域化.pdf

山东大学博士学位论文 中文摘要 随机激光和光子局域化是近十几年来新发现的一种物理现象。随机激光器作为一种 没有反射镜的激光器，在具有着类似传统激光器的单色性好的特点的同时，还有着多种 有别于传统激光器的特点，如稳定性好，不怕振动，体积可以做的非常小，辐射的随机 激光没有方向性和具有较低的空间相干特性等。因此随机激光在激光显示、照明工程、 水文探测、医疗检测、地质研究、文档或材料的编码标记等多种领域有着众多的应用前 景。同时，由于随机激光的相干反馈机制来源于光子的局域化，使得随机激光在基础物 理研究领域也有着重要的应用。光子局域化来源于光的波动特性。当光在散射介质中受 到强烈的散射时，光场的强烈相干会影响光的传播特性，导致光的传播受到抑制，并最 终限制在一个局部区域内。光子局域化的研究在理解光的本质、研究光与物质在微观体 系内的作用等方面有着重要的意义，对随机激光、光存储、激光防护等方面的研究有着 重要的指导意义。 基于以上原因，本文结合传统激光理论和随机激光的特性研究了光子的局域化特 性。现有工作主要采用速率方程理论与光的扩散理论相结合来研究随机激光器。由于随 机激光器的研究需要较大功率和较好的光束质量的激光光源，我们首先研究了两种泵浦 方式的端面泵浦的固体激光器中的热透镜焦距的精确表达方式，以有利于高功率高光束 质量的激光器的优化设计，并进行了实验研究。在第三章，我们研究了光子的预局域化 的一种形式即光的相干背散射效应在弱信号情况下的简便测量方法，并根据研究提出了 用于简化实验的方法。在第四章到第六章，我们分别从随机激光与放大自发辐射的光谱 和时域特性比较方面，随机激光的光谱特性和时域特性随染料浓度及散射体浓度变化的 方面对随机激光的特性和介质的局域化特性进行了研究。 本文具体的研究内容为： 1 研究了端泵固体激光器的热分布特性，结合失真的衍射理论( t h ed i f f r a c t i o nt h e o r y o f a b e r r a t i o n s ) ，首次给出了经典激光器中热透镜焦距的更加精确的计算方法。首次 提出了热透镜焦距不仅和激光器泵浦半径有关，还和激光的光束半径有关。理论研 究了平顶光束和高斯光束两种不同泵浦模式下的热透镜效应。最后分别给出简化的 拟合公式以方便计算应用。最后我们给出了平顶光束泵浦下两种不同泵浦半径下的 实验结果。研究的结果对高功率固体激光器的优化有着重要的意义。 2 研究了使用c c d 器件对弱相干背散射信号的测量方法。首次给出了快速测量弱信 号强度的相干背散射的改进方法，通过使用c c d 对数据进行记录，然后通过数据 处理，可以有效提取记录的信息。给出了拟合公式的处理，以及积分范围的优化选 山东大学博士学位论文 择。使用数值仿真的方式对方法的可靠性和结果的唯一性进行了验证，并对不同噪 声程度引起的钡4 量误差进行了估计。使用c c d 测量了t i 0 2 纳米颗粒甲醇悬浊液的 相干背散射特性，并使用此方法得到了有效的平均自由程信息。根据研究的结果， 首次提出通过将传统的方法中的普通透镜换为柱透镜的方法，改变相干背散射信息 的分布方式，以简化测量结果的数据处理，同时不损失相干背散射峰处的细节信息。 3 对比研究了若丹明6 g 染料溶液在皮秒高能脉冲泵浦下的荧光辐射、软阈值以上的 横向放大自发辐射、软阈值以上的纵向放大自发辐射、阈值以上的随机激光辐射以 及我们称之为带有部分和较强相干反馈的纵向放大自发辐射的光谱特性和脉冲特 性。通过对比，首次发现了不同相干反馈的程度对辐射光谱宽度和脉冲形式造成的 不同影响。并根据实验的结果，首次提出了随机激光在一定的散射体浓度和染料浓 度下，其辐射受到了一定程度的相干反馈影响。本发现打破了此种没有尖峰的随机 激光辐射没有受到相干反馈影响的传统认识，也有利于加深对激光物理的认知。 4 研究了皮秒高能激光脉冲泵浦的掺杂有纳米t i 0 2 散射体的染料溶液在不同散射体 浓度和不同染料浓度下随机激光辐射的光谱特性，发现了不同染料浓度和不同散射 体浓度下的随机激光辐射具有着不同的光谱峰值位置。首次发现了在特定染料浓度 下，增加散射体的浓度引起的随机激光光谱峰值从蓝移向红移转变的拐点，并且发 现在不同的染料浓度下，这个拐点位置的不同。通过理论研究，首次提出了基于染 料的自吸收特性，从随机激光的辐射光谱峰值提取平均光程的方法，并通过扩散理 论，首次验证了此光谱拐点代表了系统从扩散系统向弱局域化系统的转化。 5 研究了高能皮秒激光脉冲泵浦的掺杂有纳米t i 0 2 散射体的染料溶液在不同散射体 浓度和不同染料浓度的随机激光辐射的时域演化特性。实验中首次使用了双头光纤 测量随机激光的时域特性，首次测量了随机激光的脉冲建立时间随染料浓度和散射 体浓度变化的规律。结合经典激光理论的速率方程和扩散理论，对随机激光的动力 学特性进行了初步研究，并结合实际实验情况对理论进行了改良。理论同实验结果 进行比较发现，理论能够初步说明实验结果的趋势。 本文的主要创新点： 1 通过研究端泵固体激光器的热分布特性，结合失真的衍射理论( t h ed i f f r a c t i o n t h e o r yo fa b e r r a t i o n s ) ，首次给出了端泵固体激光器中平项光束和高斯光束两种泵 浦模式下热透镜焦距的更加精确的计算方法。首次提出热透镜焦距不仅和激光器泵 浦半径有关，还和激光的光束半径有关。分别给出简化的拟合公式以方便计算应用， 研究的结果对高功率固体激光器的优化有着重要的意义。 2 通过研究使用c c d 记录的样品的相干背散射图像的数据处理，首次给出了快速测 量弱信号强度的相干背散射的简便方法，通过使用c c d 对数据进行记录，然后通 过数据处理，可以有效提取记录的信息。首次给出了这种方法中最佳积分范围的选 择条件。首次给出了不同噪声引发的拟合结果误差估计。 2 山东大学博士学位论文 曼i i 一一i 一 b e e e 曼 3 通过研究使用c c d 记录的样品的相干背散射图像的数据处理，首次提出通过将传 统的方法中的普通透镜换为柱透镜的方法，改变相干背散射信息的分布方式，有利 于测量结果的进一步数据处理，同时不损失相干背散射的峰值细节信息。 4 通过对比研究若丹明6 g 染料溶液的横向放大自发辐射、纵向放大自发辐射、随机 激光辐射以及我们称之为带有部分和较强相干反馈的纵向放大自发辐射的光谱特 性，脉冲特性，首次发现了相干反馈的不同程度对辐射光谱宽度和脉冲形式的不同 影响，首次提出了随机激光在一定的散射体浓度和染料浓度下，其辐射受到了一定 程度的相干反馈影响。本发现打破了此种没有尖峰的随机激光辐射中没有收到相干 反馈影响的传统认识。 5 通过研究掺杂有纳米t i 0 2 散射体的染料溶液的随机激光辐射的光谱特性，发现了 不同染料浓度和不同散射体浓度下的随机激光辐射具有着不同的光谱峰值位置。首 次发现了在特定染料浓度下，增加散射体的浓度引起的随机激光光谱峰值从蓝移向 红移转变的拐点。 6 通过研究掺杂有纳米t i c 2 散射体的染料溶液的随机激光辐射的光谱特性，首次提 出了基于染料的自吸收特性，从随机激光的辐射光谱峰值提取平均光程的方法。 7 通过研究掺杂有纳米t i 0 2 散射体的染料溶液的随机激光辐射的光谱特性，利用扩 散理论，首次提出了随机激光辐射的光谱拐点代表了系统从扩散系统向弱局域化系 统的转化的观点。 8 通过研究掺杂有纳米t i 0 2 散射体的染料溶液的随机激光辐射的时域特性，首次测 量了随机激光的脉冲建立时间随染料浓度和散射体浓度变化的规律。结合经典激光 理论的速率方程和扩散理论，对随机激光的动力学特性进行了初步研究，并结合实 际实验情况对理论进行了改良。理论同实验结果进行比较发现，理论能够初步说明 实验结果的趋势。 关键词：光子局域化 激光染料溶液 随机激光 纳米散射体 相干背散射 热透镜 3 山东大学博士学位论文 a b s t r a c t r a n d o ml a s e ra n dp h o t o nl o c a l i z a t i o na r eb o t hn e w l yd i s c o v e r e dl e s st h a nt w od e c a d e s a g o r a n d o ml a s e ri sas p e c i a ll a s e rw i t h o u tm i r r o r s i t ss p e c t r a lw i d t hi sn a r r o wj u s tl i k e t r a d i t i o n a ll a s e r s a n dm a n yp r o p e r t i e so ft h er a n d o ml a s e ra r ed i f f e r e n tw i t ht h et r a d i t i o n a l l a s e r t h er a n d o ml a s e ri sr o b u s tb e c a u s eo ft h em i r r o r l e s ss t r u c t u r e ，t h es c a l ec a nb ev e r y s m a l l ，a n dt h ee m i s s i o ni sn o ta sd i r e c t i o n a la n dc o h e r e n ta st h et r a d i t i o n a ll a s e r t h e s e p r o p e r t i e sm a k et h er a n d o ml a s e ra ne x c e l l e n tc a n d i d a t ei nt h ep o t e n t i a la p p l i c a t i o n si nl a s e r d i s p l a y i n g ，l i g h t i n gt e c h n o l o g y , m o n i t o r i n go ft h el i q u i df l o w , m e d i c a lb i o m e t r i c s ，g e o l o g i c a l s t u d y , e n c o d e dm a r k i n go fd o c u m e n t so rm a t e r i a la n ds oo n a n db e c a u s et h a tt h ef e e d b a c k o ft h er a n d o ml a s e ri sb e l i e v e dt ob et h ep h o t o nl o c a l i z a t i o n ，i ti sa l s oi m p o r t a n ti nt h es t u d y o ft h ep h o t o nl o c a l i z a t i o n t h ep h o t o nl o c a l i z a t i o nc o m e sf r o mt h ei n t e r f e r e n c ee f f e c to ft h e l i g h tw a v e w h e nt h el i g h ti ss t r o n g l ys c a t t e r e di nt h em e d i u m ，t h ei n t e r f e r e n c em a yl e a dt o t h es l o w d o w no ft h el i g h td i f f u s i o n a n dt h el i g h ti se x p r e s s e da sl o c a l i z e dw h e nt h e d i f f u s i o nc o e f f i c i e n ti sa p p r o a c h i n gz e r o t h es t u d y i n go ft h ep h o t o nl o c a l i z a t i o ni si m p o r t a n t i ne x p l o r i n gt h eu n d e r l y i n gp h y s i c so ft h el i g h ta n di ns t u d y i n gt h ei n t e r a c t i o no ft h el i g h t w i t ht h em a t t e rm i c r o s c o p i c a l l y a n da l s oi ti si m p o r t a n ti nt h ee n g i n e e r i n go ft h er a n d o m l a s e r , t h eo p t i c a ls t o r a g e ，t h el a s e rp r o t e c t i o na n ds oo n s oi nt h i st h e s i s w es t u d yt h ep r o p e r t i e so ft h ep h o t o nl o c a l i z a t i o nb yu s i n gt h er a n d o m l a s e ra n dt h et r a d i t i o n a ll a s e rt h e o r y t h er a t ee q u a t i o n sc o m b i n e dw i t hd i f f u s i o nt h e o r ya r e e m p l o y e di nt h es t u d y i n go ft h er a n d o ml a s e r a sap o w e r f u ll a s e rw i t hg o o db e a mq u a l i t yi s n e e d e di nt h es t u d y i n go ft h er a n d o ml a s e ra st h ep u m p i n gs o u r c e , w ef i r s ts t u d yt h ep r e c i s e d e t e r m i n a t i o no ft h et h e r m a lf o c a ll e n g t hi nt h ee n d p u m p e ds o l i ds t a t el a s e ri nt h es e c o n d c h a p t e r , w h i c hi su s e f u li nd e s i g n i n gt h el a s e rw i t hh i g hp o w e ra n dg o o db e a mq u a l i t y i nt h e t h i r dc h a p t e r , w es t u d yt h ep r e l o c a l i z a t i o n ：c o h e r e n tb a c k s c a t t e r i n g w es h o was i m p l e m e t h o do fm e a s u r i n gw e a kc o h e r e n tb a c k s c a t t e r i n gs i g n a l i nc h a p t e rf o u r , w ec o m p a r e dt h e r a n d o ml a s e ra n dv a r i o u se m i s s i o n sf r o mt h ed y es o l u t i o n i nc h a p t e rf i v ea n ds i x ，w es h o w t h es t u d i e so ft h er a n d o ml a s e ro nt h es p e c t r a la n dt h et e m p o r a lp r o p e r t i e s t h es t u d i e si n c h a p t e rf o u rt os i xs h o wt h el o c a l i z a t i o ni nc e r t a i ns a m p l e s t h em a i nw o r k si nt h et h e s i sa r e ： 1 t h et h e r m a ld i s t r i b u t i o ni nt h ee n d p u m p e ds o l i ds t a t e 4 d i f f r a c t i o nt h e o r yo fa b e r r a t i o n s ，w eg i v et h em o r ep r e c i s e l a s e ri s s t u d i e d u s i n gt h e d e t e r m i n a t i o no ft h et h e r m a l f o c a ll e n g t h w es h o wt h a tt h et h e r m a lf o c a ll e n g t hi sd e t e r m i n e dn o t o n l yb yt h e p u m p i n gb e a mr a d i u s ，b u ta l s ot h el a s e rb e a mr a d i u s t w op u m p i n gd i s t r i b u t i o n sa r e 山东大学博士学位论文 c o n s i d e r e dt h e o r e t i c a l l y t h es i m p l if i e de q u a t i o n sa r ea l s op r e s e n t e df o rc o n v e n i e n c e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ea l s og i v e n t h i ss t u d yi su s e f u li nt h eo p t i m i z a t i o no ft h el a s e r w i t hh i g hp o w e ra n dg o o db e a m q u a l i t y a s i m p l em e t h o do fm e a s u r i n gt h ew e a kc o h e r e n tb a c k s c a t t e r i n gs i g n a lu s i n gc c di s s t u d i e d t h ec c di su s e dt or e c o r dt h ew e a ks i g n a lo ft h ec o h e r e n tb a c k s c a t t e r i n g a n d t h eo b t a i n e dd a t ai m a g ei si n t e g r a t e dt oi n c r e a s et h es i g n a lt on o i s er a t i o t h eo p t i m i z e d i n t e g r a t i o ni n t e r v a li ss u g g e s t e d t h ee q u a t i o nf o rf i t t i n gi ss t u d i e dt oo b t a i nt h eu s e f u l i n f o r m a t i o n s i m u l a t i o ni sp r e s e n t e dt ov a l i d a t et h em e t h o da n dt om a k es u r et h er e s u l t s a r ee x c l u s i v e t h ed e p e n d e n c eo ft h ef i t t i n ge r r o ro nt h en o i s ei sp r e s e n t e d e x p e r i m e n t r e s u l t sa r eg i v e n a n dw eg i v et w on e we x p e r i m e n t a lc o n f i g u r a t i o n sb a s e do nt h i s m e t h o d t h en e wc o n f i g u r a t i o nu s e sac y l i n d r i c a ll e n si n s t e a do ft h en o r m a ll e n s ，w h i c h m a k et h en u m e r i c a lp r o c e s sm u c he a s i e ra n dt h ed e t a i lo ft h ec o h e r e n tb a c k s c a t t e r i n g p e a ki sm a i n t a i n e d t h ef l u o r e s c e n c e ，t h et r a n s v e r s ea m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n ，t h el o n g i t u d i n a l a m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n ，t h er a n d o ml a s e ra n dt h ee m i s s i o n sw h i c hw ec a l lt h e l o n g i t u d i n a la m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o nw i t hp a r t i a lc o h e r e n tf e e d b a c ka n dw i t h s t r o n g e rc o h e r e n tf e e d b a c kf r o mt h er h o d a m i n e6 gd y es o l u t i o nu n d e rp i c o s e c o n d p u l s ep u m p i n ga r ec o m p a r e d w es h o wt h ee f f e c to nt h es p e c t r aa n dt h ep u l s ew i d t ho f t h ed e g r e eo ft h ec o h e r e n tf e e d b a c k a n dw es h o wt h a ti nc e r t a i nd y ec o n c e n t r a t i o na n d s c a t t e r e rd e n s i t y , t h er a n d o ml a s e rs h o wp a r t i a lc o h e r e n tf e e d b a c k t h i ss t u d yc h a n g e d t h ei d e at h a ti ns u c hr a n d o ml a s e rt h e r ei sn oc o h e r e n tf e e d b a c k a n dm a yh e l pt o i n c r e a s et h ek n o w l e d g eo nt h el a s e rp h y s i c s t h es p e c t r a lp r o p e r t i e so ft h er a n d o ml a s e rf r o mt h ed y es o l u t i o nw i t hn a n o s c a t t e r e r s u n d e rp i c o s e c o n dp u l s ep u m p i n ga r es t u d i e d t h es p e c t r a lp e a k sa r es h o w nt ob ea t d i f f e r e n tw a v e l e n g t hf o rv a r i o u sd y es o l u t i o n sa n ds c a t t e r e rd e n s i t i e s t h ei n f l e c t i o n p o i n t so ft h es p e c t r a lp e a kf r o mb l u es h i f tt or e ds h i f ta r ef o u n df o rv a r i o u sd y e c o n c e n t r a t i o nw i t hi n c r e a s i n gs c a t t e r e rd e n s i t y t h ei n f l e c t i o np o i n t sa r es h o w na t d i f f e r e n ts c a t t e r e rd e n s i t yf o rd i f f e r e n td y ec o n c e n t r a t i o n u s i n gt h ed i f f u s i o nt h e o r y , t h e a v e r a g eo p t i c a lp a t hl e n g t hc a nb ee s t i m a t e da n dt h ei n f l e c t i o np o i n t sa r eb e l i e v e dt ob e t h ep o i n t sw h e nt h es y s t e mc h a n g i n gf r o mt h ed i f f u s i v et ow e a k l yl o c a l i z e d t h et e m p o r a lp r o p e r t i e so ft h er a n d o ml a s e rf r o mt h ed y es o l u t i o nw i t hn a n o s c a t t e r e r s u n d e rp i c o s e c o n dp u l s ep u m p i n ga r es t u d i e d as p e c i a lf i b e ri su s e dt om e a s u r et h e t e m p o r a lp r o p e r t i e s t h eb u i l d u pt i m eo ft h er a n d o ml a s e rf r o ms a m p l e sw i t hv a r i o u s d y es o l u t i o n sa n ds c a t t e r e rd e n s i t i e s w es t u d i e dt h ed y n a m i co ft h er a n d o ml a s e ru s i n g t h et r a d i t i o n a ll a s e rt h e o r ya n dt h ed i f f u s i o nt h e o r y t h er e s u l t sf r o mt h et h e o r ya n dt h e 5 互 生 乱 殳 山东大学博士学位论文 e x p e r i m e n t sa r ea g r e e di nt h et r e n d t h em a i ni r m o v a t i o n si nt h et h e s i s ： 1 f o rt h ef i r s tt i m e ，w eg i v et h em o r ep r e c i s ed e t e r m i n a t i o no ft h et h e r m a lf o c a ll e n g t ho f t h ee n d p u m p e ds o l i ds t a t el a s e r s w es h o wt h a tt h et h e r m a lf o c a ll e n g t hd e p e n d so nt h e l a s e rb e a mr a d i u sf o rt h ef i r s tt i m e w eg i v et h es i m p l ee q u a t i o n sf o rc o n v e n i e n c e 2 f o rt h ef i r s tt i m ew ep r e s e n tas i m p l em e t h o df o rr e c o r d i n gt h ec o h e r e n tb a c k s c a t t e r i n g u s i n gc c d w ep r e s e n tt h eo p t i m i z e ds e l e c t i o no ft h ei n t e g r a t i o ni n t e r v a l w ec a l c u l a t e d t h ed e p e n d e n c eo ft h ee l l o ro ft h er e s u l t so nt h en o i s e 3 f o rt h ef i r s tt i m ew es h o wan e w e x p e r i m e n t a lc o n f i g u r a t i o nb a s e do nt h em e t h o dw e p r e s e n t ac y l i n d r i c a ll e n si su s e di n s t e a do fn o r m a ll e n st om a k et h ep r o c e s so ft h ec b s i m a g em u c he a s i e r t h ed e t a i lo ft h ec b sp e a ki sm a i n t a i n e du s i n gt h i sc o n f i g u r a t i o n 4 b yc o m p a r i n gt h et r a n s v e r s ea m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n ，t h el o n g i t u d i n a la m p l i f i e d s p o n t a n e o u se m i s s i o n ，t h er a n d o ml a s e ra n d t h ee m i s s i o n sw h i c hw ec a l lt h e l o n g i t u d i n a la m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o nw i t hp a r t i a lc o h e r e n tf e e d b a c ka n dw i t h s t r o n g e rc o h e r e n tf e e d b a c k ，f o rt h ef i r s tt i m ew es h o wt h ee f f e c to nt h es p e c t r aa n dt h e p u l s ew i d t ho ft h ed e g r e eo ft h ec o h e r e n tf e e d b a c k a n df o rt h ef i r s tt i m ew es h o wt h a t i nc e r t a i nd y ec o n c e n t r a t i o na n ds c a t t e r e rd e n s i t y , t h er a n d o ml a s e rs h o w p a r t i a lc o h e r e n t f e e d b a c k t h i ss t u d yc h a n g e dt h ei d e at h a ti ns u c hr a n d o ml a s e rt h e r ei sn oc o h e r e n t f e e d b a c k ，a n dm a yh e l pt oi n c r e a s et h ek n o w l e d g eo nt h el a s e rp h y s i c s 5 b ys t u d y i n gt h es p e c t r a lp r o p e r t i e so ft h er a n d o ml a s e rf r o mt h ed y es o l u t i o nw i t h n a n o s c a t t e r e r su n d e rp i c o s e c o n dp u l s ep u m p i n g ，f o rt h ef i r s tt i m ew ef i n dt h ei n f l e c t i o n p o i n t so ft h es p e c t r a lp e a kf r o mb l u es h i f tt or e ds h i f tf o rv a r i o u sd y ec o n c e n t r a t i o nw i t h i n c r e a s i n gs c a t t e r e rd e n s i t y t h ei n f l e c t i o np o i n t sa r es h o w na td i f f e r e n ts c a t t e r e rd e n s i t y f o rd i f f e r e n td y ec o n c e n t r a t i o n 。 6 b ys t u d y i n gt h es p e c t r a lp r o p e r t i e so ft h er a n d o ml a s e rf r o mt h ed y es o l u t i o nw i t h n a n o s c a t t e r e r su n d e r p i c o s e c o n dp u l s ep u m p i n g ，f o rt h ef i r s tt i m ew eg i v et h em e t h o do f e s t i m a t i n gt h ea v e r a g eo p t i c a lp a t hl e n g t ho ft h er a n d o ml a s e rb yu s i n gt h es p e c t r a lp e a k a n dt h ed i f f u s i o nt h e o r y 7 b yu s i n gt h ed i f f u s i o nt h e o r ya n dt h ed e p e n d e n c eo ft h eo b t a i n e da v e r a g eo p t i c a lp a t h l e n g t h so nt h es c a t t e r e rd e n s i t y , f o rt h ef i r s tt i m ew es h o wt h a tt h ei n f l e c t i o np o i n t so f t h es p e c t r a lp e a ki ss h o w i n gt h a tt h es y s t e mi sc h a n g i n gf r o mt h ed i f f u s i o ns y s t e mt oa w e a k l yl o c a l i z e ds y s t e m ； 8 f o rt h ef i r s tt i m e ，t h eb u i l d u pt i m eo ft h er a n d o ml a s e rf r o mt h ed y es o l u t i o n sw i t h n a n o s c a t t e r e r su n d e r p i c o s e c o n dp u l s ep u m p i n gw i t hv a r i o u sd y es o l u t i o n sa n ds c a t t e r e r d e n s i t i e sa r em e a s u r e d w es t u d i e dt h ed y n a m i co ft h er a n d o ml a s e ru s i n gt h et r a d i t i o n a l 6 山东大学博士学位论文 l a s e rt h e o r ya n dt h ed i f f u s i o nt h e o r y t h er e s u l t sf r o mt h et h e o r ya n dt h ee x p e r i m e n t sa r e a g r e e di nt h et r e n d k e y w o r d s ：p h o t o nl o c a l i z a t i o n d y el a s e rs o l u t i o n r a n d o ml a s e rc o h e r e n tb a c k s c a t t e r i n g n a n o s c a t t e r e rt h e r m a l l e n s 7 山东大学博士学位论文 符号说明 符号物理意义符号 物理意义 伍 散射截面， 激光光束半径 a 么 吸收截面见 波长 a e 受激发射截面c k 染料浓度 促 散射系数 d s散射体浓度 吸收系数 n g 激发念染料分子密度比 t 消光系数 磊 激发态上能级寿命 i 光强 n a阿伏伽德罗常数 d 扩散系数 激光在增益区域滞留时间 c 真空中的光速 e p 泵浦脉冲单脉冲能量 1 ， 介质中的光速r反射率 九 介质的折射率 s p 泵浦面积 厶 散射平均自由程 砀 泵浦脉冲宽度 广 传输平均自由程 h 普朗克常数 乙 吸收长度 场 泵浦光频率 z e外推长度 i s 饱和光强 n 反转粒子数密度饱和吸收系数 n o总粒子数密度 饱和吸收长度 邻 吸收的泵浦光子数密度 l p s 泵浦光穿透深度 腔内激光光子数密度 n s散射体折射率 可 荧光寿命k 晶体热导率 8 自发辐射贡献系数 瓢 热负载系数 q热源密度 p 泵浦光半径 8 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：整主鳖日期：竺! z 至生 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：趟坠聊签名趣日期：蟛，。 山东大学博士学位论文 第一章绪言 从公元前五世纪墨经和古希腊欧几罩德( e u c l i d ，公元前约3 3 0 2 6 0 ) 的反射 光学( c a t o p t r i c a ) ) ) 中记录的光在空气中的直线传播开始，通过研究光在各种物质中的传 播以及光与物质的相互作用，人们逐步认识到光的折射、干涉、衍射特性，光的散射、 扩散传输特性，光电特性和光辐射的量子特性，一直到最近发现了光的局域化特性，光 学领域的研究不断的带给我们奇特的感受，加深着对光的本性的认知，也不断推动着物 理学的飞速发展。 激光的产生为光学研究开创了全新的天地，其高功率、高能量、非常好的单色性和 方向性以及很好的时间空间干涉性，都是自然界的光源无法比拟和取代的，在众多领域 中有着广泛的需求。自1 9 6 0 年5 月1 6 日希尔多梅曼( t h e o d o r eh m a i m a n ) 的红宝石 激光器【l 】首次发射激光至今，激光理论和器件的研究得到了迅猛的发展。激光器在科 研、医疗、工业、国防、通讯等众多领域有着重要的应用。激光理论也是在不断地发展 中，越来越多的效应被发现和应用。 1 9 9 9 年