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光纤激光器中Akhmediev呼吸子的产生和控制

张聪  
【摘要】:随着光通信技术的飞速发展,光纤激光器以其体积小、光束质量好、耦合效率高、增益特性好、激光阈值低、性价比高等优点,对科学研究和技术应用产生了很大的影响。光纤激光器不仅能产生连续激光,而且可以产生皮秒到飞秒量级的超短脉冲。超短脉冲具有峰值功率高、脉宽窄的特点,可以应用在激光测距、光纤传感、激光通信、生物医学、国防军事等领域。理论上,光脉冲在光纤系统中的传输可以用非线性薛定谔方程来描述。非线性薛定谔方程包括许多精确解,如亮孤子解、暗孤子解、有限背景上的孤子解。有限背景上的孤子解又可以分为Akhmediev呼吸子解,Peregrine孤子解,KM孤子解。其中Akhmediev呼吸子一方面可以描述调制不稳定性过程,另一方面可以用来产生超短脉冲序列。本文主要基于简化后的光纤激光器模型,数值研究了Akhmediev呼吸子在光纤激光器中的传输特性。具体内容如下:(1)介绍孤子概念、分类及其国内外的研究进展;介绍光纤激光器的国内外研究现状以及光纤激光器中孤子的研究进展。(2)理论模型的搭建。对光纤激光器进行分段处理,从麦克斯韦方程组出发,建立光脉冲分别在单模光纤,掺铒光纤,可饱和吸收体的传输方程,并简要介绍分步傅立叶数值模拟方法。(3)基于光脉冲在光纤激光器中的传输模型,采用分步傅立叶法,研究Akhmediev呼吸子在光纤激光器中的传输特性。Akhmediev呼吸子在光纤激光器中传输时受到腔内平均色散,小信号增益系数,饱和能量等因素的影响。研究结果表明:在光纤激光器中,Akhmediev呼吸子传输的稳定性与腔内平均色散有关。当腔内色散和非线性效应的共同作用达到平衡,具有时域周期性的Akhmediev呼吸子可以以呼吸状态稳定传输。同时,它还受光纤激光器中小信号增益系数和饱和能量的影响,小信号增益系数越大,饱和能量越高,脉冲的峰值强度越高,脉宽越窄,相邻脉冲之间的间隔越小。此外还研究了两种不同的初始输入即单频扰动和周期扰动在光纤激光器中的传输,由于光纤中的调制不稳定性,两种扰动都可以在传输过程中激发产生类Akhmediev呼吸子。(4)基于光脉冲在光纤激光器中的传输模型,数值研究了二阶Akhmediev呼吸子在光纤激光器中的传输特性。理论上,二阶Akhmediev呼吸子可以看作是两个一阶Akhmediev呼吸子相互碰撞形成。研究结果表明:二阶Akhmediev呼吸子也可以激发产生超短脉冲序列,而脉冲的峰值功率和周期由两个一阶Akhmediev呼吸子控制。此外还分别研究了两个叠加的周期扰动和单频扰动在光纤激光器的传输特性,发现在传输的过程中都会激发产生高峰值脉冲。


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