基于可控电致散射体系实现高性能上转换随机激光

Due to its small size, low cost and high Q value, random laser has a better application prospect in the field of ultrafine imaging, speckle projection and new light source. At present, the research of the upconversion random laser devices has the problems of low output efficiency, tedious design of scattering medium, difficult control of luminescence mode and high cost. Because of it, this project is proposed to realize low threshold, high efficiency, mode/direction controllable high performance upconversion random laser by constructing controllable electroinduced scattering array structure, and the research items are as follows: 1) based on C-SALT scattering laser theory and photon diffusion theory, a controllable scattering system based on electric scattering is established; 2) In the controllable electroinduced scattering system, we propose to illustrate the underlying mechanism of the enhancement or suppression of the nonlinear processes such as PL intensity, random laser mode, sum/difference frequency and so on; 3) The multifunctional, low-threshold, miniaturized and controllable up-conversion random laser output of lead lanthanum doped zirconium titanate is proposed to be studied. If the optimal design of controllable electroinduced scattering system and high performance upconversion random laser devices can be realized successfully, it is expected to promote its development in the field of micro imaging, projection and sensing.

随机激光因其体积小、成本低、Q值高等特点，在生物组织超清成像、无散斑投影、新型光源等领域具有较好的应用前景。目前，上转换随机激光器件的研究中存在输出效率低、散射介质设计繁琐、发光模式难控制、成本高等问题。基于此，本课题拟在锆钛酸铅镧材料中构建出电场可控的散射阵列结构, 实现低阈值、高效率、模式/方向可控的高性能上转换随机激光器。具体研究内容如下: 1）基于C-SALT散射激光理论和光子扩散理论，建立以电致散射为中介的可控散射体系；2）拟阐明可控电致散射体系中，光子定域效应对PL强度、随机激光模式、倍频/差频等非线性过程的增强或抑制的内部机理; 3）探索掺钕锆钛酸铅镧材料中多功能、低阈值、小型化、模式可控的上转换随机激光输出。如果能成功实现对可控电致散射体系的优化设计和高性能上转换随机激光器，有望推动其在微观成像、高品质投影和传感等领域的发展。

随机激光器不依靠传统意义上的谐振腔，结构简单、易加工、成本低、尺寸小等特性，且兼具高的品质因子等光谱特性，在超清微观成像等众多领域有较好的应用前景。本课题在探索稀土离子能量传递和开发低阈值、缩小激光器的尺寸，实现多功能小型化高效率的随机激光输出等方面做了研究工作，完成工作主要如下：.1）我们分别基于J-O理论和实验讨论了非掺杂以及Er3+、Nd3+、Ho3+/Tm3+离子掺杂锆钛酸铅镧陶瓷中离子的跃迁、寿命、能量传递等效应。通过利用材料中明显的光色效应和上转换随温度变化效应，分析了离子自发辐射受温度和离子能级-基质缺陷能级相互作用的影响。一方面，可以利用温度的变化制作出高灵敏度的温度传感器件；另一方面，对材料中激光的研究做出了基本的评估，对研究双光子吸收和红外激光器奠定了基础。.2）为设计独特的散射介质，我们分别使用飞秒激光热处理，制备了强散射结构。并研究了结构中的倍频、和频以及荧光增强等效应。通过多重弹性散射形成光子局域化，以增强材料中光子的传播路程和滞留时间。在形成相干局域区域后，光子在晶体中形成了多种匹配角度。利用此原理，在该介质中实现了多模式倍频光耦合，这一结果解决了二阶非线性相位匹配条件苛刻的问题，可显著提高非线性的耦合效率。我们使用掺杂凝聚剂的方式设计了随机分布的散射结构，并实现了其中显著的荧光增强效应和双光子吸收上转换荧光光谱。利用光子散射和相干作用，我们可以同时获取多个模式的二次谐波等光学非线性过程，这有利于我们拓展上转换随机激光光源，探索紫外以及深紫外的随机激光器。.3）我们以前两部分理论分析和实验研究为基础，分别在周期性散射介质、随机散射介质以及微纳晶体中实现了随机激光和高品质的微纳激光输出。基于双光子泵浦和连续激光泵浦的激光输出，分别在飞秒激光加工的周期散射阵列铌酸锂样品、PEO包覆的FAPbBr3和实现了低阈值、小型化、高质量的微纳激光器。为进一步降低激光器的尺寸、提高激光输出效率奠定实验基础。