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飞秒激光脉冲在光子晶体光纤中传输特性的研究

胡明列  
【摘要】:本论文详细阐述了飞秒激光脉冲在光子晶体光纤中的传输特性,从理论和实验的角度分析和研究了飞秒激光脉冲与光子晶体相互作用时发生的多种非线性效应。首先综述了非线性光学及飞秒激光和光子晶体光纤的发展历程; 利用有限元法计算和分析了光子晶体光纤的色散特性、有效模面积、双折射度、模式折射率等参数; 利用分步傅立叶法数值模拟了广义的非线性薛定谔方程,分析研究了多种条件下超连续光谱的产生过程; 实验上系统研究了在多种结构的光子晶体光纤中超连续光谱的产生并详细讨论了超连续光谱的影响因素; 系统研究了光子晶体光纤中模式和偏振控制下的位相匹配过程。主要研究内容如下: 第一、利用有限元法分析和计算了不同空气比的光子晶体光纤的色散特性,论述了该方法的可靠性和精度,阐述了包层空气孔结构对光子晶体光纤色散特性的影响; 在此基础上分析和计算了不同空气比的光子晶体光纤的有效模面积并利用微扰法分析了双折射光子晶体光纤; 研究了增强数值孔径型光子晶体光纤的特性和大空气比光子晶体的高阶模折射率; 第二、利用分步傅立叶法对广义的非线性薛定谔方程进行了数值求解,在加入高阶色散和高阶非线性效应的情况下,模拟了飞秒激光脉冲在光子晶体光纤中的传输情况,分析了飞秒激光脉冲在正负色散区传输时的时域和频域展宽情况; 研究了高阶色散、自陡峭、脉冲内喇曼效应对光子晶体光纤中超短脉冲的传输以及最后超连续光谱产生的影响。 第三、实验上系统研究了飞秒激光脉冲在具有相同芯径、不同包层结构的光子晶体光纤中超连续光谱的产生情况,指出光子晶体光纤可控色散特性在非线性光学研究中的重要性; 在多种结构的光子晶体光纤中获得了超连续光谱,并对比进行了分析; 在多芯集成的光子晶体光纤中,通过简单调整耦合位置在这种光纤中获得不同波段、不同带宽的超连续光谱; 在渐变数值孔径型的光子晶体光纤中,超连续光谱的输出功率明显提高; 分析讨论了飞秒激光脉冲参数对超连续光谱的影响以及脉冲不稳定性对超连续光谱产生的影响情况; 并首次研究了硅材料热效应对超连续光谱的影响,发现了光子晶体光纤中超连续产生过程中的温度效应。 第四、利用单模双折射光子晶体光纤与纳焦耳量级的飞秒激光脉冲相互作用,首次在可见光波段高效率地获得了波长可调谐的反斯托克斯超短激光脉冲。所产生的反斯托克斯波脉冲的中心波长分别为490nm和510nm,并相应观察到明亮的蓝光和绿光基模输出。实验系统研究了泵浦光偏振方向和泵浦光强度对反斯托克斯波产生的影响。 第五、利用多模双折射光子晶体光纤与纳焦耳量级的飞秒激光脉冲相互作


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