基于波導、金和氧化鋅的隨機激光器的研究

李志全， 趙晶晶， 孟曉云， 樸瑞琦， 顧而丹， 童 凱

(燕山大學 電氣工程學院， 河北 秦皇島 066004)

基于波導、金和氧化鋅的隨機激光器的研究

李志全*， 趙晶晶， 孟曉云， 樸瑞琦， 顧而丹， 童 凱

(燕山大學 電氣工程學院， 河北 秦皇島 066004)

通過將金屬金嵌入到上下兩層波導結構中，與ZnO隨機粒子相結合，設計出一種新型結構的隨機激光器。采用時域有限差分法(FDTD)，數(shù)值模擬了該隨機激光器系統(tǒng)的光場分布和模式頻譜圖，并針對金粒子和金薄膜兩種情況進行對比分析。結果顯示，采用金粒子作夾層時，出射激光模式數(shù)量減少，單色性較好；采用金薄膜作夾層時，出射激光光強較大。

ZnO隨機粒子； 隨機激光器； 時域有限差分法； 模式頻譜

1 引 言

自1968年Letokhov首次計算出隨機增益介質(zhì)中的光學特性以來，眾多學者對這一研究課題產(chǎn)生了濃厚的興趣，并取得了卓有成效的成果[1]。1999年，美國西北大學的Cao Hui研究組發(fā)現(xiàn)無序ZnO粉末激光現(xiàn)象，并指出隨機激光產(chǎn)生的真正原因是來自于受激輻射[2]。2007年，葉云霞等解釋了非相干隨機激光輻射譜上出現(xiàn)分離尖峰的原因[3]。2011年，Redding等通過實驗研究了包含納米粒子的染料溶液中隨機激光發(fā)射的空間相干性，證明了隨機激光對空間串擾的用途或散斑限制性能的空間非相干發(fā)射有強烈的控制作用[4]。2013年，塔比阿特莫達勒斯大學的Rafiee等研究了一維半導體(ZnO)無序納米粉末激光發(fā)射的特點，指出激光模式會隨著泵浦強度的增加而增加；不均勻的泵浦可以獲得單一模式的激光；在一定的泵浦強度下增加泵浦脈沖寬度，激光模式以及輸出光譜的強度也會增加[5]。2014年，Popoff等通過調(diào)整輸入光的波前證明了在隨機介質(zhì)中總的傳輸光在數(shù)量級上的相干控制[6]。近年來，學者們對隨機激光器的研究發(fā)現(xiàn)通過增加隨機腔的數(shù)量可以加強光譜相干發(fā)射的能量，而且激光發(fā)射模式的數(shù)量能夠被限制[7]。學者們還計算了二維高度無序的介質(zhì)中激光的發(fā)射光譜[8-9]，研究了不同溶劑中Rh6G隨機激光體系中的光譜、閾值特性與溶劑折射率的關系[10]。但仍然還有很多尚未解決的問題，其中在隨機激光器的應用中，有時需要對隨機激光器輸出的隨機模式進行篩選，所以減少隨機模式的輸出也是隨機激光器研究的一個重要課題。

本文提出在ZnO二維隨機散射粒子兩側放入嵌有金的雙層波導結構，該隨機激光系統(tǒng)是基于波導結構和金對光有較強的限制和控制作用的理論提出來的。在隨機激光器內(nèi)部，激光的不同模式發(fā)生耦合和競爭，通過選取合適的結構參數(shù)可以調(diào)控輸出激光的模式和強度。采用時域有限差分法(FDTD)，數(shù)值模擬了該隨機激光器系統(tǒng)中的光場分布和模式頻譜圖，針對金粒子和金薄膜兩種情況進行了對比分析。同時研究了金粒子的填充率及其半徑與激光出射強度的關系。

2 理論模型

針對隨機介質(zhì)、散射粒子和波導進行分析，本文設計了如圖1所示的隨機散射微粒和條形波導的空間分布結構。圖1中樣品的L和D分別為4 μm和2 μm，它由隨機分布的圓形粒子構成。Au散射粒子隨機分布在L×d1=4 μm×0.2 μm的空間內(nèi)，折射率為n1=1.548，半徑為r1=65 nm，填充率為φ=28%，損耗系數(shù)為g=1.254。兩個條形波導放在Au粒子的兩側，尺寸分別為L×d2=4 μm×0.7 μm、L×d3=4 μm×0.1 μm，折射率為n3=1.5。圓形粒子同時為散射微粒和增益介質(zhì)，折射率為n2=2.6-0.01i，半徑為r2=0.1 μm，填充率為φ=41.6%。填充率φ定義為散射顆粒的總面積與隨機介質(zhì)區(qū)域面積之比，即φ=Nπr2/(L×D)，其中N為散射顆粒的個數(shù)，散射顆粒隨機分布在二維平面隨機介質(zhì)中(粒子隨機分布可以相互接觸但不重疊)，整個樣品置于折射率為n=1、尺寸為8 μm×8 μm的開放空間。

圖1 隨機散射微粒和條形波導的空間分布圖

Fig.1 Spatial distribution of random scattering particles and waveguide

3 仿真與分析

3.1 仿真結果

通過改變Au粒子的填充率和半徑，觀察二維隨機介質(zhì)中出射激光光場的強度分布和模式競爭的激烈程度(設g=0，g為Au粒子的損耗系數(shù))。當Au粒子的填充率或半徑發(fā)生變化時，隨機系統(tǒng)的強度變化曲線如圖2所示。當填充率較低或較高時，出射激光光場的分布區(qū)域較大，強度值較小且模式競爭激烈。當填充率增大到一定值時，通過改變Au粒子半徑(0.03～0.09 μm)，觀察仿真結果，選擇隨機激光出射強度較大且模式競爭較弱的半徑作為Au粒子的半徑，約為65 nm，填充率約為28%。

圖2 不同填充率和Au粒子半徑的強度分布圖

Fig.2 Intensity distribution of different filling rate and particle radius of Au

為了分析金粒子和金薄膜兩個對比結構的頻譜分布。在圖1和圖4的結構圖中，分別以最大峰值為中心，以k(分別取值0.1,0.2,0.4 ,0.7 μm)為半徑的圓上任意放置兩個觀察點，記錄每一個觀察點每一個時刻的場強值Ey，經(jīng)離散Fourier變換得到每個觀察點的頻譜，結果如圖5所示。(a)、(c)、(e)、(g)、(i)和(b)、(d)、(f)、(h)、(j)分別為金粒子和金薄膜結構隨k取值不斷增大時的觀察點頻譜圖。圖(a)和(b)是出射激光強度最大位置的頻譜圖。將圖5的頻譜圖進行對比，以圖(a)和(b)為例，當Au粒子存在時，圖(a)在波長約為378.8 nm處存在線寬很窄強度很高的輻射峰，且峰值周圍的其他模式的峰值強度較低，模式競爭較弱。圖(b)是將Au粒子換成Au薄膜后出射激光的頻譜圖，從圖中可以看出，在380.3 nm處有激光出射且強度比(a)強，而圖(a)中的光譜線寬度約為圖(b)中光譜線寬度的1/2，由此(a)圖更接近于理想線性(理想的單色光只有一種頻率，且在該頻率處的相對光強為1，即光強百分之百集中在該頻率)。如圖(e)和(f)所示，當k=0.2 μm時，圖(f)中在373.8 nm和380.2 nm處均出現(xiàn)兩個明顯的尖峰，且圖(f)的尖峰強度遠遠大于圖(e)。表明在(f)中的這兩個尖峰處的兩個主要模式之間競爭反轉粒子數(shù)，單色性較差。(g)與(h)、(i)與(j)也得到相同的對比結果。將圖5的頻譜圖進行縱向?qū)Ρ?。當k逐漸增大時，金粒子結構的激光強度迅速衰減，而金薄膜結構的激光強度則變化緩慢，隨著距離k的增大，激光模式競爭越來越激烈。

圖5 兩個對比結構中不同觀察點的譜圖

3.2 結果分析

由以上得到的金粒子和金薄膜頻譜圖的對比得出，在二維隨機散射粒子兩側放入嵌有金粒子的雙層波導結構的隨機激光系統(tǒng)，可以使激光模式的數(shù)量明顯減少,而且具有很好的單色性。激光模式在數(shù)量上的減少，是由激光模式之間的相互作用導致的。激光模式之間的相互作用主要是由于激光隨機模式的頻譜在空間中相互重疊形成復合場，復合場內(nèi)模式之間彼此競爭和耦合。激光模式之間的競爭實際上是模式之間共同爭取反轉粒子數(shù)，爭取的越多就會在競爭中得到放大，反之則會慢慢消失。耦合可以看成是一個模式的場泄漏到另一個模式的過程。當對系統(tǒng)進行泵浦時，激發(fā)光經(jīng)ZnO粒子和Au粒子散射到達波導兩側相遇，因此激光模式出現(xiàn)了空間范圍的重疊，引起了模式的耦合與增益的競爭。而且發(fā)射的相干光譜的功率有一定的增強，同時抑制了周邊模式的激發(fā)。因此在空間位置和頻率上都很接近的兩個模式間會發(fā)生耦合與競爭。

隨機介質(zhì)仿真中存在許多種準太模，每個準太模之間都有不同的局域化特征。從圖5的頻譜圖中看出金薄膜的頻譜圖具有較多的模式，且峰值強度過渡緩慢，而金粒子的頻譜圖模式數(shù)量較少且峰值強度過渡較快，因此含有金粒子的結構局域化程度較強。

0.7 μm的波導對光具有很好的局限作用，使激光局限在二維散射平面內(nèi)。選擇合適的結構尺寸以及材料，對系統(tǒng)進行泵浦時，隨機腔內(nèi)的激光模式通過爭取反轉粒子數(shù)使激光強度增大，并與相鄰隨機腔內(nèi)的場形成耦合，模式之間同時競爭，最終會減少激光模式的出射數(shù)量。

4 結 論

將波導、金和ZnO隨機散射粒子相結合，提出了在隨機散射粒子兩側插入嵌有金的雙層波導結構的隨機激光系統(tǒng)。模擬了金粒子和金薄膜兩個對比結構系統(tǒng)中光場的空間分布結果，指出0.1 μm波導兩側由散射和增益產(chǎn)生的隨機腔內(nèi)光譜的競爭和空間重疊，使光譜強度增大。分析對比了系統(tǒng)中不同觀察點的頻譜，以及隨機系統(tǒng)中模式的空間局域化分布。當對系統(tǒng)進行泵浦時，隨機激光始終在某一特定的區(qū)域出射，說明在該區(qū)域內(nèi)光子的局域化強度較高，并得到一定的放大，最終使得激光的出射強度不斷增大。結果顯示，金粒子激光系統(tǒng)具有較小的光譜線寬度，模式單一，且具有較好的單色性；金薄膜激光系統(tǒng)具有較強的出射激光。因此可針對不同的要求選擇不同結構的激光器。

[1] Letokhov V S. Generation of light a scattering medium with negative resonance absorption [J].Sov.Phys., 1968, 26(8):835-840.

[2] Cao H, Zhao Y G, Ho S T,etal. Random laser action in semiconductor powder [J].Phys.Rev.Lett., 1999, 82(11):2278-2281.

[3] Ye Y X, Fan D Y. Incoherent radiation of amplifying random media [J].Chin.J.Lasers(中國激光), 2007, 34(3):364-369 (in Chinese).

[4] Redding B, Choma M A, Cao H. Spatial coherence of random laser emission [J].Opt.Lett., 2011, 36(17):3404-3406.

[5] Rafiee P, Haghighat G, Ahmadi V. Characterization of one-dimensional lasing in semiconductor disordered nanopowders [J].Appl.Opt., 2013, 52(4):659-665.

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李志全(1954-),男,黑龍江肇東人,教授,博士生導師,2001年于哈爾濱工業(yè)大學獲得博士學位,主要從事非線性光電檢測技術和光學微納米結構特性方面的研究。

E-mail: lzq54@ysu.edu.cn

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Research of Random Laser Based on Waveguide, Au and ZnO

LI Zhi-quan*, ZHAO Jing-jing, MENG Xiao-yun, PIAO Rui-qi, GU Er-dan, TONG Kai

(InstituteofElectricEngineering,YanshanUniversity,Qinhuangdao066004,China)
*CorrespondingAuthor,E-mail:lzq54@ysu.edu.cn

A new type of random laser structure composed of ZnO particles and Au which embedded in waveguide is proposed. The distribution of the optical filed and the modes spectra in the random laser system are numerically simulated by using the finite difference time domain (FDTD) method. We also compare and analyze the optical field and the modes spectra of random laser by using Au particles and Au film, respectively. The results show that when Au particles were embedded in waveguide, the number of modes reduced and the monochromaticity was better than Au film which only had a better laser output intensity.

ZnO random particles; random lasers; finite difference time domain; pattern spectrum

1000-7032(2015)05-0557-06

2015-01-20；

2015-03-15

國家自然科學基金(61172044)； 河北省自然科學基金(F2014501150)資助項目

TN248

A

10.3788/fgxb20153605.0557