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部分相干光在光纤中的非线性效应研究

李青华  
【摘要】:随着光纤放大系统的发展,光脉冲输出功率和能量的不断提高,高功率光纤放大器在工业加工、医疗以及深空激光通信等领域的应用不断加深。部分相干光具有激光等相干光所不具备的优势,如无散斑成像,光谱匀滑稳定等。部分相干光在低相干度干涉测量、光学相干断层扫描(OCT)、光纤陀螺、惯性约束核聚变驱动源等方面有重要的应用。部分相干光在光纤放大系统中也会出现各种非线性效应,如自聚焦、自相位调制(SPM)、受激拉曼散射(SRS)、受激布里渊散射(SBS)等,它们往往成为光波输出性能提升的限制因素。目前,部分相干光在光纤中的非线性效应还缺乏深入探究,本论文从以下几个方面对部分相干光在光纤中的非线性效应进行了研究。首先是部分相干光在大模场光纤中的自聚焦阈值理论研究。基于Wigner变换下的非线性薛定谔方程,实现了对部分相干光在大模场光纤中的自聚焦阈值数值求解。模拟发现,自聚焦阈值主要依赖于光纤中光波的光束质量因子M2以及光谱带宽。论文给出了对部分相干光和相干光均适用的自聚焦阈值公式。该公式表明,光波相干性的下降有助于自聚焦阈值的提升。然后论文唯象地提出了部分相干光在光纤中的自相位调制光谱展宽模型。该模型引入了色散对光波平均调制深度的影响,并给出了显式表达的光谱展宽公式。该模型与直接数值求解非线性薛定谔方程有定量相符的结果。此外,在搭建的窄谱和宽谱实验平台上该模型也得到了较好的验证。接下来论文采用Wigner变换法解含有拉曼效应的非线性薛定谔方程组,实现了对部分相干光在光纤中的SRS演化求解。计算结果表明部分相干光的SRS阈值与相干光相同。实验上,分别搭建了宽带和窄带部分相干光系统,并在无源纤中进行了SRS阈值实验研究,实验结果与理论预测定量相符。论文还提出了利用SRS效应消除脉冲尖峰的方法,以及利用双向拉曼散射进行脉冲整形的可能性。最后,论文对部分相干光在光纤中的SBS经典阈值公式进行了修正。提出了截止带宽概念,即当入射光波带宽大于该截止带宽值时,SBS会在自相位调制光谱展宽以及SRS效应的共同作用下受到完全抑制。该现象得到了实验的验证。论文结尾对部分相干光在光纤中的非线性效应进行了总结和展望。


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