Qualification and optimization for generating a random laser with nanoemitters

Authors

  • Jesús Jonathan Martínez Ocampo Universidad Autónoma del Estado de Morelos. Centro de Investigación en Ingeniería y Ciencias Aplicadas. Cuernavaca, Morelos. México https://orcid.org/0000-0001-5781-8725
  • Gennadiy Burlak Universidad Autónoma del Estado de Morelos. Centro de Investigación en Ingeniería y Ciencias Aplicadas. Cuernavaca, Morelos. México

DOI:

https://doi.org/10.30973/progmat/2023.15.2/3

Keywords:

Random lasing, Incorporated nanoemitters, Random pores

Abstract

In this work, the mirrorless laser effect, the random percolation laser in 3D, is studied. The difference with conventional laser is that the random laser contains disordered structures that define the frequency and the direction in which the random laser emits the light and the emission of this laser is coherent and stable. The non linear semiclassical system of Maxwell equations is studied in 3D coupled with polarization equations and four level equations of quantum dots. Such a system is considerably non linear, it is complex, and there is no analytical solution. Therefore it is of interest generating laser field numerically with the method of Finite Differences in Time Domain (FDTD) 3D and using modern numerical packages microsoft visual studio (Visual C#). The spectrum of the optical modes located in the random percolation laser is calculated in detail.

Author Biographies

Jesús Jonathan Martínez Ocampo, Universidad Autónoma del Estado de Morelos. Centro de Investigación en Ingeniería y Ciencias Aplicadas. Cuernavaca, Morelos. México

El Mtro. Jesús Jonathan Martínez Ocampo en el año 2018 obtiene el grado de Licenciatura en Ciencias con área terminal en Física en la Universidad Autónoma del Estado de Morelos, en el 2021 obtiene el grado de Maestría en Ingeniería y Ciencias Aplicadas con mención honorífica por la Universidad Autónoma del Estado de Morelos, actualmente colabora como docente en la preparatoria La Salle Cuernavaca y en la Universidad Americana de Morelos. Desde el año 2014 ha trabajado como docente logrando mención honorífica nacional para Morelos en el XXIV concurso nacional de aparatos y experimentos de física y se obtiene primer lugar estatal en el 5to. concurso de aparatos y experimentos de física en Morelos, México. Ha impartido cursos de física, cálculo, laboratorio de física y múltiples asignaturas de las ciencias exactas y naturales a nivel medio superior, superior y posgrado. Actualmente se encuentra inscrito y cursando el Doctorado en Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos, su tema principal de investigación es el estudio del campo óptico generado en sistemas 3D con nano emisores distribuidos aleatoriamente.

Gennadiy Burlak, Universidad Autónoma del Estado de Morelos. Centro de Investigación en Ingeniería y Ciencias Aplicadas. Cuernavaca, Morelos. México

El Dr. Gennadiy Burlak ha trabajado como catedrático en la Universidad Nacional de Kiev, en el Departamento de Física Teórica. Tiene los grados de doctor en: Ph. D. y D. of Sc. Desde 1998 es Profesor-Investigador Titular “C” del Centro de Investigaciones en Ingeniería y Ciencias Aplicadas (CIICAp) de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos (UAEM). Es miembro del SNI desde 2000 y actualmente tiene el nivel III. El Dr. Burlak es autor y coautor de 14 libros y capítulos de libros y 170 artículos en revistas internacionales. Ha participado en más de 170 ponencias en Congresos Nacionales e Internacionales. Bajo de su dirección se han graduado: 16 tesis de doctorado, maestría y licenciatura. Ha impartido cursos de electromagnetismo, ecuaciones derivadas parciales y métodos numéricos en el posgrado y licenciatura del CIICAp de la UAEM. Es miembro de la Academia de Ciencias de Morelos (ACMOR) de American Physical Society. Se ha desempeñado como evaluador, árbitro del CONACyT y como referí de varias revistas internacionales como lo son: Phys.Rev.Lett., Chaos, JVSTA, MMA, PIER, entre otros. Sus temas principales de investigación son: Micro-esféricas multi-capas, Optimización de radiación óptica en nano-estructuras, Dinámica no-lineal del Bose-Einstein condénsate, Aplicaciones de redes neuronales en física cuántica y transición de fases en sistemas sólidos.

References

Wiersma, D., van Albada, M., Lagendijk, A. Random laser?. Nature 373, 203–204 (1995). https://doi.org/10.1038/373203b0

Cao, H., Zhao, Y. G., Ho, S. T., Seelig, E. W., Wang, Q. H., Chang, R. P. H. Random laser action in semiconductor powder. Physical Review Letters (1999) , 82(11), 2278. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.54.4256

Wang, L., Zhu, S. J., Wang, H. Y., Qu, S. N., Zhang, Y. L., Zhang, J. H., Sun, H. B. Common origin of green luminescence in carbon nanodots and graphene quantum dots. ACS Nano (2014), 8(3), 2541-2547. https://doi.org/10.1021/nn500368m

Wen, X., Yu, P., Toh, Y. R., Ma, X., Tang, J. On the upconversion fluorescence in carbon nanodots and graphene quantum dots. Chemical communications (2014), 50(36), 4703-4706. https://doi.org/10.1039/C4CC01213E

Letokhov, V. S. Quantum statistics of multi-mode radiation from an ensemble of atoms. Sov. Phys. JETP (1968), 26, 835-840.

Cao, H., Zhao, Y. G., Ho, S. T., Seelig, E. W., Wang, Q. H., Chang, R. P. H. Random laser action in semiconductor powder. Physical Review Letters (1999), 82(11), 2278. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.82.2278

Frolov, S. V., Vardeny, Z. V., Yoshino, K., Zakhidov, A., Baughman, R. H. Stimulated emission in high-gain organic media. Physical Review B (1999), 59(8), R5284. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.59.R5284

Lawandy, N. M., Balachandran, R. M., Gomes, A. S. L., Sauvain, E. Laser action in strongly scattering media. Nature (1994), 368(6470), 436-438. https://doi.org/10.1038/368436a0

Meng, X., Fujita, K., Murai, S., & Tanaka, K. Coherent random lasers in weakly scattering polymer films containing silver nanoparticles. Physical Review A (2009), 79(5), 053817. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.79.053817

Tiwari, A. K., Shadak Alee, K., Uppu, R., & Mujumdar, S. Single-mode, quasi-stable coherent random lasing in an amplifying periodic-on-average random system. Applied Physics Letters (2014), 104(13), 131112. https://doi.org/10.1063/1.4870631

Zyuzin, A. Y. Transmission fluctuations and spectral rigidity of lasing states in a random amplifying medium. Physical Review E (1995), 51(6), 5274. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.51.5274

John, S., Pang, G. Theory of lasing in a multiple-scattering medium. Physical Review A (1996), 54(4), 3642. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.54.3642

Vanneste, C., Sebbah, P., Cao, H. Lasing with resonant feedback in weakly scattering random systems. Physical Review Letters (2007), 98(14), 143902. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.98.143902

Uppu, R., Mujumdar, S. Lévy exponents as universal identifiers of threshold and criticality in random lasers. Physical Review A (2014), 90(2), 025801. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.90.025801

Wiersma, D. S. The physics and applications of random lasers. Nature physics (2008), 4(5), 359-367. https://doi.org/10.1038/nphys971

John, S. Electromagnetic absorption in a disordered medium near a photon mobility edge. Physical Review Letters (1984), 53(22), 2169. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.53.2169

Anderson, P. W. The question of classical localization A theory of white paint?. Philosophical Magazine B (1985), 52(3), 505-509. https://doi.org/10.1080/13642818508240619

Lagendijk, A., Van Albada, M. P., van der Mark, M. B. Localization of light: The quest for the white hole. Physica A: Statistical Mechanics and its Applications (1986), 140(1-2), 183-190. https://doi.org/10.1016/0378-4371(86)90219-0

Conti, C., Fratalocchi, A. Dynamic light diffusion, three-dimensional Anderson localization and lasing in inverted opals. Nature Physics (2008), 4(10), 794-798. https://doi.org/10.1038/nphys1035

Burlak, G., Diaz-de-Anda, A., Karlovich, Y., Klimov, A. B. Critical behavior of nanoemitter radiation in a percolation material. Physics letters A (2009), 373(16), 1492-1499. https://doi.org/10.1016/j.physleta.2009.02.044

Taflove, A., Hagness, S. C., Piket-May, M. Computational electromagnetics: the finite-difference time-domain method. The Electrical Engineering Handbook (2005), 3, 629-670. https://doi.org/10.1016/B978-012170960-0/50046-3

Siegman, A. E. Lasers. University science books. (1986).

Jiang, X., Soukoulis, C. M. Time dependent theory for random lasers. Physical review letters (2000), 85(1), 70. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.85.70

Downloads

Published

2023-06-23

How to Cite

Martínez Ocampo, J. J., & Burlak, G. (2023). Qualification and optimization for generating a random laser with nanoemitters. Programación Matemática Y Software, 15(2), 25–31. https://doi.org/10.30973/progmat/2023.15.2/3

Issue

Vol. 15 No. 2 (2023): June, 2023

Section

Articles

License

Copyright (c) 2023 Jesús Jonathan Martínez Ocampo, Gannadiy Burlak

Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Usted es libre de:

Compartir — compartir y redistribuir el material publicado en cualquier medio o formato.
Adaptar — combinar, transformar y construir sobre el material para cualquier propósito, incluso comercialmente.

Bajo las siguientes condiciones:

Atribución — Debe otorgar el crédito correspondiente, proporcionar un enlace a la licencia e indicar si se realizaron cambios. Puede hacerlo de cualquier manera razonable, pero de ninguna manera que sugiera que el licenciador lo respalda a usted o a su uso.
  Sin restricciones adicionales: no puede aplicar términos legales o medidas tecnológicas que restrinjan legalmente a otros a hacer cualquier cosa que permita la licencia.

Most read articles by the same author(s)

1 2 > >>