Investigating novel materials requires understanding their chemical and optical properties, which allows for finding their uses through functionalization by chemical modification. In this thesis, we are focusing on a material with high anisotropic scattering - transparent wood. This biocomposite material has a hierarchical structure ranging from nanometer to hundreds of micrometers scale, and natural ordering, which is between perfectly ordered and fully random structure. Optical transparency in the visible range and the unique structure of transparent woods show good potential for functionalization. Due to complex structure and nonhomogenous chemical composition, not all characterization methods are fitting. While relatively straightforward properties like transmittance and haze can be measured using known techniques, but additional investigation was required to understand light behavior and measure other properties. In this work, the modeling method for investigation of light propagation and estimation of the effective refractive index of transparent wood for a deeper understanding of a material. Transparent wood has shown excellent host properties, capable of holding high concentrations of Rhodamine 6G laser dye without aggregate formation. In this dissertation, we present the analysis of the host properties of transparent wood and show that the dye forms statistical energy traps at high concentrations of dye. By doping transparent wood with active dye and pumping it with SHGNd:YAG green laser, the optical gain within the active media can be achieved. The feedback in this optical system is occurring via scattering on fiber walls, showing behavior similar to random lasers. However, due to the semi-ordered structure and wave-guiding effect of transparent wood, the transparent wood laser is referred to as a ”quasi-random laser”. The lasing emission can be further enhanced by the introduction of an external cavity, virtually expanding the active media allowing more lasing modes to be resolved, and increasing laser power.This work demonstrates the characterization of transparent wood optical and chemical properties and develops a computational model that can be used for further investigation of light behavior in semi-ordered anisotropic media.  The functionalization of transparent wood is demonstrated by the introduction of a quasi-random laser and modification of that laser is presented.

Undersökning och tillämpning av nya material kräver förståelse för deras egenskaper: kemiska, fysikaliska och optiska. Utifrån etablerad förståelse av materialegenskaperna kan vidare funktionalisering, genom kemisk modifiering, öppna möjligheter för nya framtida tillämpningar. I detta examensarbete ligger fokus på ett material med hög anisotropisk spridning – transparent trä. Detta biokompositmaterial har en naturligt arrangerad hierarkisk struktur med intrinsiska längdskalor från nanometer till hundratals mikrometer, mellan perfekt ordnad och helt slumpmässig struktur. Optisk transparens i det synliga området och den unika strukturen hos transparent trä uppvisar lovande potential för funktionalisering. På grund av dess komplexa struktur och icke-homogena kemiska sammansättning är urvalet av lämpliga karakteriseringsmetoder begränsat. Relativt enkla egenskaper som transmittans och haze kan bestämmas med etablerade tekniker, men det krävs ytterligare undersökningar för att i detalj förstå ljusutbredning i dessa material. I detta arbete, som en del av ett större projekt, övervägdes och validerades modelleringsmetoden för undersökning av ljusutbredning och uppskattning av det effektiva brytningsindexet för transparent trä. Genomskinligt trä har uppvisat utmärkta värdegenskaper vilket möjliggör hög koncentration av tillsatser utan aggregatbildning, till exempel metallnanopartiklar eller organiska färgämnen såsom Rhodamine 6G (Rh6G). Bland kärnfrågorna i denna avhandling presenterar vi analys av värdegenskaperna hos transparent trä och visar hur färgämnet kan bilda statistiska energifällor vid höga koncentrationer. Genom att dopa transparent trä med Rh6G och pumpa det med en extern laserkälla kan optiska förstärkningen i det aktiva mediet uppnås. återkopplingen i detta optiska system sker via spridning på fiberväggar, vilket visar beteende som liknar slumpmässiga lasrar. Men på grund av den halvordnade strukturen och vågledande egenskaperna hos transparent trä, klassificeras den transparentat rälasern som en ”kvasi-slumpmässig laser”. Laseremissionen kan förbättras ytterligare genom införandet av en extern kavitet, vilken utökar det aktiva mediet och tillåter att fler lasermoder kan upplösas, vilket ökar lasereffekten. Detta arbete omfattar karakterisering av optiska och delvis kemiska egenskaper hos transparent trä. En numerisk modell som kan användas för vidare undersökning av ljusbeteende i halvordnade anisotropa medier presenteras. Funktionaliseringen av transparent trä demonstreras av realiseringen av den kvasislumpmässiga lasern och studien av dess egenskaper.