Search

We have studied the light transport through phosphor diffuser plates that are used in commercial solid-state lighting modules (Fortimo). These polymer plates contain YAG:Ce+3 phosphor particles that scatter, absorb and re-emit incident light in the visible wavelength range (400-700 nm). To distinguish scattered from re-emitted light we used a narrowband light source. The re-emitted light is Stokes shifted to the red with respect to the scattered light, and is then spectrally separated from the scattered light. By using this technique we have measured the diffuse transmission of the phosphor diffuser plates. We use diffusion theory to extract the transport mean free path ltr over the full wavelength range. Simultaneously, we determine the absorption mean free path labs in the wavelength range 400 to 530 nm where YAG:Ce+3 absorbs. The measured absorption (1/labs) spectrum provides information about optimal design parameters: thickness of the plates and phosphor concentration of white LED

Structural disorder results in multiple scattering in real photonic crystals, which have been widely used for applications and studied for fundamental interests. The interaction of light with such complex photonic media is expected to show interplay between disorder and order. For a completely disordered medium, the intensity statistics is well-known to obey Rayleigh statistics with a negative exponential distribution function, corresponding to absence of correlations. Intensity statistics is unexplored however for complex media with both order and disorder. We study experimentally the intensity statistics of light reflected from photonic crystals with various degree of disorder. We observe deviations from the Rayleigh distribution and the deviations increase with increasing long-range order.

We show that the spatial distribution of the energy density of optimally shaped waves inside a scattering medium can be described by considering only a few of the lowest eigenfunctions of the diffusion equation. Taking into account only the fundamental eigenfunction, the total internal energy inside the sample is underestimated by only 2%. The spatial distribution of the shaped energy density is very similar to the fundamental eigenfunction, up to a cosine distance of about 0.01. We obtained the energy density inside a quasi-1D disordered waveguide by numerical calculation of the joined scattering matrix. Computing the transmission-averaged energy density over all transmission channels yields the ensemble averaged energy density of shaped waves. From the averaged energy density obtained, we reconstruct its spatial distribution using the eigenfunctions of the diffusion equation. The results from our study have exciting applications in controlled biomedical imaging, efficient light harvesting in solar cells, enhanced energy conversion in solid-state lighting, and low threshold random lasers.

This paper is Chapter 1 of the book "Light Localisation and Lasing: Random and Pseudorandom Photonic Structures", edited by Mher Ghulinyan and Lorenzo Pavesi (Cambridge University Press, Cambridge, 2015). It provides a general introduction to the field.

We present an extension of the T-matrix approach to scattering of light by a three-level system, using a description based on a Master equation. More particularly, we apply our formalism to calculate the T matrix of a pumped three-level atom, providing an exact and analytical expression describing the influence of a pump on the light-scattering properties of an atomic three-level system.

We show that time-independent scattering coefficients calculated from the standard extrapolation of Mie theory to the gain regime have physical meaning up to the laser threshold. The theoretical width of a resonance decreases linearly with increasing gain and becomes zero at the laser threshold. We performed experiments on dielectric microspheres with gain, trapped with optical tweezers. The width of the mode was measured to narrow as a function of the gain up to the lasing threshold, confirming both the validity of the extrapolation of Mie theory to the gain regime below threshold and our interpretation of its point of divergence as the laser threshold.

The quest for developing ever stronger interacting photonic materials has caused the birth of a widely expanding research field. Successful achievement of very strong elastic interaction between light and matter would allow demonstration of conceptually new physical phenomena, among which Anderson localization [1] and a full photonic bandgap [2, 3] are prime examples. Experimental realization of these phenomena would open new avenues in control and manipulation of light and matter [4], and could lead to fascinating new developments in quantum optics.

Plasmonische microscopie is een nieuwe manier van microscopisch onderzoek waarbij het mogelijk is om elektromagnetische straling te focussen. Surface Plasmon Polaritons (SPP) zijn oppervlaktegolven die zich tussen een geleider en een isolator bevinden. Bergin Gjonaj gebruikte fase-gestructureerde lichtbronnen om actief controle uit te kunnen oefenen op de verbreiding van SPP-golven. Op die manier is het mogelijk om een nauwkeurige focus te krijgen en om deze focus over de metaalfilm te laten scannen. Gjonaj laat zien dat met een plasmonische lens (of microscoop) een grotere resolutie te bereiken is dan mogelijk is met conventionele microscopie. De toename in resolutie komt door de korter golflengte van een plasmon in vergelijking met de golflengte van het inkomende licht.

Troebele en ondoorzichtige materialen worden steeds vaker ingezet als bouwstenen in de optica. Traditioneel worden de eigenschappen van deze materialen onderzocht door licht van buitenaf op het materiaal te laten schijnen. Ramy El-Dardiry onderzocht hoe wanordelijke materialen interactie vertonen met minuscule lichtbronnen die zich binnenin een dergelijk materiaal bevinden. De hoeveelheid licht die dan wordt uitgezonden blijkt afhankelijk te zijn van zowel het type lichtbron als de optische omgeving. In een driedimensionaal systeem zal het uitgezonden licht doorgaans een diffusieproces ondergaan: het licht verspreidt zich dan gemiddeld genomen even sterk in alle richtingen. In een eendimensionaal materiaal laten experimenten zien hoe elektromagnetische straling door middel van interferentie op een specifieke plaats blijft. Daarnaast toont El-Dardiry met verschillende experimenten hoe een combinatie van geëxciteerde lichtbronnen en wanordelijke terugkoppeling kan leiden tot een zogeheten random laser: een speciale laser waarin de conventionele spiegels geheel ontbreken. De kleur van deze lasers blijkt heel goed te controleren met behulp van absorptie. De ontwikkelde experimentele technieken zijn mogelijk toepasbaar in uiteenlopende vakgebieden, van de nanofotonica tot de verfindustrie.

Paolo Scalia onderzocht de voortplanting van optische ruis in meervoudig verstrooiende media. Meervoudig verstrooiende systemen worden gekenmerkt door een sterke interactie tussen licht en materie. Het manifesteert zich door de vele verstrooiingsevenementen die plaats vinden in het medium. Geïnspireerd door de studie van ruis in wanordelijke elektronische systemen, maakte Scalia gebruik van de inherente ruiseigenschappen van lasersystemen om waardevolle informatie uit meervoudig verstrooiende media te halen, zoals de gemiddelde vrije weglengte en de modaliteiten van het lichttransport. Hij laat zien dat ruis niet beschouwd hoeft te worden als iets dat de gemeten signalen beschadigt en minimaliseert. Integendeel, ruisanalyse blijkt een uitstekende methode om onderzoek mee te verrichten.

Sanli Faez onderzocht de voortplanting van golven in wanordelijke materialen. Hij bestudeerde, zowel theoretisch als experimenteel, uitingen van Anderson-lokalisatie met klassieke golven, zoals licht en ultrageluid. Anderson-lokalisatie verwijst naar de onderdrukking van diffusie in wanordelijke materie als gevolg van interferentie. Deze overgang van geleider naar isolator werd vijftig jaar geleden ontdekt door Philip Anderson in het kader van elektronentransport in metalen.

In this thesis, we present a study of the fundamental building blocks of laser systems. In this respect, we face the question of presenting a workable definition of a laser. It is rewarding to formulate such a definition since this clarifies semantic issues right from the beginning and allows us to focus on the physics of the systems we present. In this thesis, we adopt the following definition: A single-mode laser is a system which combines gain and feedback, such that one field mode (the laser mode) is characterized by a gain-induced increase of its spectral weight at the cost of all other system modes. The amplitudes of all system modes decay in time to an external bath and are replenished by the gain source. Our definition of a single-mode laser is, although debatable, a workable definition in terms of experimentally observable quantities; its usage allows us to disregard laser-related semantic issues and concentrate on the physics of the systems at hand.