[pt] Neste trabalho foi feito o estudo do espalhamento da luz realizado por partículas esféricas dielétricas, pelo uso do método dos elementos finitos, através do software COMSOL Multiphysics 5.6, sendo considerado o comportamento da luz tanto como onda quanto como partícula. Este estudo visa, no futuro, a compreensão do laser aleatório em sistemas com centros espalhadores de diferentes geometrias. Considerando o comportamento ondulatório da luz, foi estudada a teoria sobre as séries de Mie. Esta, por sua vez, é uma solução que, dado o campo de incidência, pode-se calcular os campos espalhados e absorvidos por partículas esféricas. Foram calculados os valores da seção de choque de espalhamento e a média do cosseno do ângulo de espalhamento para uma partícula de raio (r) maior que um décimo do comprimento de onda (Comprimento de onda) da luz (raio maior que um décimo do comprimento de onda) e uma com (raio menor que um décimo do comprimento de onda). Neste último caso, também foi estudada a variação da intensidade da luz espalhada em função do ângulo de espalhamento. Os resultados das partículas pequenas corresponderam ao regime de Rayleigh. As partículas esféricas consideradas foram a rutila, TiO2, e a alumina, Al2O3. Foi estudado também o espalhamento de luz realizado por duas partículas idênticas. Para esse caso, obteve-se uma luz espalhada mais intensa na região entre as partículas em comparação a outras regiões. Ademais, ao comparar com o espalhamento feito por uma única partícula, foi notado que a luz espalhada por duas partículas, na região entre as duas, também era mais intenso. Além disso, ao estudar o confinamento de luz entre duas e três partículas de r = 230 nm, viu-se que o espectro do campo espalhado apresentava mais de um pico, como há em lasers aleatórios coerentes. No que concerne ao comportamento corpuscular da luz, foi considerada a equação de difusão de fótons, onde o espectro de emissão da fluorescência de R6G incidindo em uma concentração da ordem de 1010 cm−3 partículas foi simulado e, posteriormente, comparou-se o resultado obtido com o comportamento de um sistema de laser aleatório incoerente. / [en] In this work, the study of light scattering performed by dielectric spherical particles was carried out, using the finite element method, through the COMSOL Multiphysics 5.6 software, considering the behavior of light both as a wave and as a particle. This study aims, in the future, to understand the random laser in systems with scatter centers with different geometries. Considering the wave behavior of light, the theory of the Mie series was studied. This is a solution that, given the incidence field, makes it possible to calculate the fields scattered and absorbed by the spherical particles. The values of the scattering cross section and the mean of the cosine of the scattering angle were calculated for a particle with radius (r) bigger than one tenth of the light wavelength (wave length) (radius greater than one tenth of the wave length) and one with (radius less than one tenth of the wave length). In the latter case, the variation of the scattered light intensity as a function of the scattering angle was also studied. The small particle results corresponded to the Rayleigh regime. The spherical particles considered were rutile, TiO2, and aluminium oxide, Al2O3. The scattering of light performed by two identical particles was also studied. For this case, a more intense scattered light was obtained in the region between the particles compared to other regions. Furthermore, when comparing with the scattering done by a single particle, it was noticed that the light scattered by two particles, in the region between the two, was also more intense. Furthermore, when studying the confinement of light between two and three particles with r = 230 nm, it was seen that the spectrum of the scattered field showed more than one peak, as one has in coherent random lasers. Concerning the corpuscular behavior of light, the photon diffusion equation was considered, where the emission spectrum of the fluorescence of R6G incident on a concentration of the order of 1010 cm−3 particles was simulated and, later, the result obtained was compared with the behavior of an incoherent random laser system.

[pt] Nessa tese é analisada a dinâmica dos modos de lasers aleatórios à fibra com feedback distribuído. Um rigoroso estudo é feito sobre o mecanismo de feedback distribuído, i.e., o espalhamento Rayleigh, que é um dos principais elementos contribuindo para emissão laser. É desenvolvido um modelo teórico para previsão do retro espalhamento Rayleigh de luz coerente, o qual é baseado na ordem de médio alcance da sílica, e na tensão residual de fibras ópticas. As previsões do modelo são comparadas com resultados experimentais, levando a conclusão de que o retro espalhamento Rayleigh em fibras ópticas é um processo ergódigo nos domínios do tempo e da frequência óptica. O modelo mostrou-se eficaz na previsão das flutuações de intensidade do retro espalhamento Rayleigh de luz coerente, e foi utilizado para explicar a emissão de luz laser numa nova configuração de laser aleatório à fibra, que faz uso de um amplificador óptico a semicondutor (SOA) como meio de ganho. É demostrado que operação monomodo só é possível em emissão pulsada e com bombeio próximo ao limiar laser, enquanto operação multimodo é dominante para bombeio acima do limiar. Resultados experimentais indicam que potência dos modos é limitada pela competição entre modos por ganho. A operação em regime pulsado é atribuída a um efeito de cintilação da luz Rayleigh retro espalhada, que equivale a um fenômeno de chaveamento de perdas (Q-switching) aleatório na cavidade. O tempo de vida dos modos é ~ 1 ms e larguras de linha estreitas, no intervalo entre 4 e 7 kHz, foram obtidas experimentalmente. Lasers aleatórios à fibra com ganho Brillouin também foram analisados, mostrando semelhante dinâmica dos modos. Entretanto, por conta da estreita banda espectral do ganho Brillouin a competição entre modos não limitou a potência dos modos, a qual foi observada ser limitada por luz Stokes proveniente do espalhamento Brillouin de segunda ordem. Por último, experimentos com modulação de fase intra-cavidade foram avaliados, e mostraram que emissão laser pode ser controlada a partir da supressão da condição de fase ou ganho. / [en] In this thesis, it is provided a thorough analysis of mode dynamics of random distributed feedback fiber lasers. A rigorous investigation is proposed for the feedback mechanism, Rayleigh backscattering, which plays a key role in laser action. Based on the intermediate range order of silica glasses, and on residual stress of optical fibers, a theoretical model was built to predict intensity fluctuations of Rayleigh backscattered coherent light. Model predictions were compared to experimental results, strongly supporting the conclusion that Rayleigh backscattering in single mode fibers is an ergodic process exhibiting ergodicity in the time-frequency sense so that the model can be used to predict the statistical behavior of backscattered intensity fading. The model was used to explain laser action in a novel configuration of random fiber laser, with a semiconductor optical amplifier (SOA) employed as the gain medium. It is here demonstrated that single-mode operation is only possible in pulsed regime at SOA driving currents close to the threshold, whereas multimode regime dominates under higher currents. Experimental results indicate that the mode power is limited by mode competition, which is observed under high SOA currents. Pulsed regime is shown to be due to randomly driven Q-switching induced by a scintillation effect in the Rayleigh backscattered light, which effectively translates as a time-varying cavity loss. Mode lifetimes of ∼1 ms and narrow linewidths ranging from 4 to 7 kHz were experimentally obtained. Brillouin-based random fiber lasers were also analyzed, showing similar mode dynamics, but due to the much narrower gain spectral width, mode competition did not limit the mode power, which was rather limited by the second order Brillouin-Stokes light. Last, intra-cavity phase-modulation experiments showed that laser action can be efficiently controlled by breaking either phase or gain conditions.