无序介质中实现光放大的物理机制研究

随机激光的理论和实验研究具有重要的科学意义和应用价值，是近来国际上的研究热点。其中，无序介质中产生受激辐射的机理还没有很好的理论解释，是随机激光领域的难点问题。本项目将针对该问题，利用实验和理论相结合的方法分析各种无序结构对不同泵浦源的响应特性，研究无序介质中实现光放大的物理机制。主要研究内容包括：①研究增益介质的能级寿命、泵浦源的脉冲宽度、频率、强度、泵浦面积、平均自由程和散射体的分布因子等因素对反馈机制的影响，找出关键影响因素；②制作由光子晶体微结构构成的随机结构，研究其输出特性，找出随机激光器和腔式激光器之间的关系，力争对两种激光器给出统一的解释；③利用统计理论，分析无序系统中可能存在的实现光放大的物理机制，给出相应的物理条件，揭示不同放大机制间的区别与联系。本项目的研究对阐明光与随机介质的相互作用机理，明确随机激光的产生机理具有重要意义，将对随机激光的应用起到积极的促进作用。

随机激光的理论和实验研究具有极其重要的科学意义和应用价值，是近年来国际上的研究热点。其中，无序介质中产生受激辐射的机理还没有很好的理论解释，是随机激光领域的难点问题。本项目围绕该难点问题，实验设计各种不同类型的随机激光器，通过探究其输出特性，研究无序介质中实现光放大的物理机制。圆满完成了计划书中的各项研究内容，取得的主要研究成果如下：①研究了散射颗粒对随机激光器反馈机制的影响，利用富含纳米缝隙的金银纳米线实现了纳秒脉冲激光泵浦的超低阈值的相干反馈的随机激光器，该随机激光器可以在极低的增益材料浓度下实现受激辐射，并首次实现随机激光器的级联泵浦；②研究了多种染料混合对随机激光器反馈机制的影响，利用染料间高效的级联能级转移过程，实现了单一激发下可见光波段内高品质因数的相干随机激光输出；通过调控染料间的能级转换效率，创新性地实现单一激发下黄绿和红色相干激光的同时输出；还实现了红-绿-蓝三基色构成的白色非相干反馈的随机激光。③研究了工作波段远离表面等离子体共振峰的随机激光器的辐射特性，实现了纳秒泵浦的相干随机激光输出,通过分析不同辐射方向各随机激光模式间的相互作用，揭示了各模式之间强烈相互作用的内在规律性；④研究了染料浓度对随机激光反馈机制的影响，通过改变染料浓度，实现了纳秒激光泵浦下非相干反馈向相干反馈的转换，得到了双阈值的随机激光器；⑤针对弱散射随机激光器的辐射特点，提出了弱散射随机激光器中各随机腔之间相互耦合的物理模型，解释弱散射随机激光器在较低的能量泵浦下实现相干反馈的物理现象；⑥利用全息方法开创性地实现了面心立方晶体基的带边随机激光器，研究了泵浦脉冲激光器的脉宽对反馈机制的影响，该带边随机激光器在ps激光泵浦下展示出相干反馈的辐射光谱，而在ns脉冲激光泵浦下展示出非相干反馈的光谱特点。本项目的研究对阐明光与随机介质的相互作用机理，明确随机激光的产生机理具有重要意义，为随机激光的应用起到积极的促进作用。到目前为止，本项目已发表高质量学术论文13篇，其中影响因子3以上的7篇（Adv. Mater.， ACS Nano各1篇，Appl. Phys. Lett., Laser Phys. Lett.各2篇， Opt. Lett.1篇），Adv. Opt. Mater.1篇，另有2篇文章正在投稿中。本课题培养2名博士生毕业,培养硕士生6名。