稀土掺杂陶瓷增益介质中以光能存储为中介的随机激光振荡与光子定域效应的研究

The random laser research is one of the highlights in optical frontiers. Using strong multiple light scattering to trap light for stimulated amplification to occur, random lasers were demonstrated in many kinds of gain media,? such as powdered laser crystals, translucent ceramics, organic components, weakly scattering colloidal systems, porous glass materials, and optofluidic systems. Recently，utilizing normally transparent, Nd+3 doped phosphate glass gain medium, random lasing action in multiple wavelengths was demonstrated. Based on these preliminary results, this project aims at advance the exploration into unknown underlying mechanism. Without need of introducing foreign scattering centers, the gain medium is solid and its effective scattering center concentration can be changed doping and sintering parameters, pumping intensity and externally applied electric field. As the result, a controllable random lasing can be realized. In addition, the average free travelling length was in visible wavelength range or even shorter, and this makes it out as one of ideal optical systems in studying photon localization.

随机激光（random laser）是近十年的现代光学研究热点之一。利用激光晶体粉末、半透明陶瓷材料、有机光学材料（液晶、聚合物、染料及其混合物），弱散射乳状物，光学流体等,各种随机激光振荡被相继实现。最近，本研究小组在正常光照下高度透明的磷化玻璃及陶瓷材料中实现了随机激光振荡。其中随机激光振荡所需的较强散射是以光致光能存储为中介的复杂光子随机散射过程的结果。本课题拟在这些已有的初步观察基础上，深化对这新一类随机激光振荡的微观机制与宏观特性的研究，以及随机激光振荡与相伴的光子定域效应的内在联系。本课题所采用的电光陶瓷增益介质的散射中心与发光中心都在同一固态晶格阵列之中。其有效散射中心的密度，随掺杂浓度、制备条件、外部光强、外加电场等因素而变化。因此，可以通过改变外部条件来调控随机激光振荡。光子随机行走的自由程可以达到与可见光波长相比或更短，是研究光子定域效应的理想介质之一。

随机激光是近十年的现代光学研究热点之一。利用激光晶体粉末、半透明陶瓷材料、有机光学材料（液晶染料混合物），弱散射乳状物，光学流体等,各种随机激光振荡被相继实现。本课题组利用常态下高度透明的磷化玻璃及陶瓷材料中现了随机激光振荡且观察到弱的光定域效应。其中随机激光振荡所需的较强散射是以光致光能存储为中介的复杂光子随机散射过程的结果。本课题深化对这新一类随机激光振荡的微观机制的研究，从而认识随机激光振荡与相伴的光子定域效应的内在联系。.为增加光致散射的能力，并同时提高激光输出的可调谐性，我们选择了可以容纳更多稀土发光中心的全固态电光陶瓷材料—掺稀土锆钛酸铅镧（PLZT）来探究随机激光振荡与光子弱局域效应。我们讨论了光子散射强度L/lt和传输平均自由程lt随泵浦光强度的变化规律，进而对材料中光子的透（反）射率、激光输出拖尾时间和吸收增益等特性随散射强度的变化规律进行了分析。为了利用PLZT陶瓷的电致散射来实现随机激光的调谐，我们在电晕放电氛围下，探索了掺钕PLZT铁电陶瓷的随机激光振荡可调谐性。实现了材料中瞬态的随机激光振荡和光子弱局域效应。.为增强材料的多重散射使之更容易实现光子弱局域化，利用颗粒状的PLZT陶瓷样品进行实验。在实现光子弱局域化的基础上，观察到背向探测光放大现象。.为进一步加强材料的多重散射，我们利用飞秒激光热处理技术将PLZT材料加工成柱状纳米阵列结构。利用532 nm纳秒激光器作为泵浦光对钕掺杂材料中的相干反馈随机激光进行研究，观察到发射峰峰值变窄以及从自发辐射到受激辐射的转变，这些都是随机激光产生的显著特征。利用掺钕PLZT与掺钕钒酸钇结合式增益介质，我们观察到传统激光模式与随机激光模式之间的转换。.继我们研究工作报道之后，类似的随机激光也相继在其他常态透明增益材料系列中实现。由此可以窥见我们工作所产生影响之一斑。从最近快速上升的阅读率与引用率，也可看到本工作的影响。本课题的研究工作为实现亚波长激光光源奠定了基础。