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基于光子晶体光纤非线性效应的波长变换及其应用研究

罗兴  
【摘要】:光子晶体光纤可以实现高的非线性、灵活可控的色散等独特的性质,非常适合于实现非线性波长变换。通过光子晶体光纤中的各种非线性效应,例如四波混频效应、切伦科夫辐射、受激拉曼散射、受激布里渊散射等,可以极大的扩展激光光源的光谱范围,在许多领域有着重要应用。本文研究了若干种光纤中非线性效应,实现了基于切伦科夫辐射的高效率波长转换,分析了光纤结构对超连续谱的影响;搭建用于泵浦光子晶体光纤的短脉冲锁模激光器,获得结构简单紧凑的全光纤超连续谱光源。本论文主要包括以下几方面:本文研究了在不同结构光纤中实现波长转换,通过分析光纤拉锥对非线性效应的影响,探索了在方形纤芯光子晶体光纤中实现高效率的切伦科夫辐射等。这些为后面实现全光纤化的高质量的超连续谱输出进行了探索打下基础;通过尝试采用受激布里渊散射实现全光纤化超连续谱;最后设计了一种9字型锁模脉冲激光器结合自主设计制备的光子晶体光纤实现了高性能的超连续谱输出。本论文主要内容如下:首先介绍了对光子晶体光纤的特性进行数值分析的全矢量频域有限差分法。对全矢量频域有限差分法算法的推导做出了分析。分析了全矢量频域有限差分法的优点,介绍了提高计算精度的边界胞原进行平均化处理的方法。然后对描述超连续谱产生过程的广义非线性薛定谔方程的推导过程做了分析,利用分步傅里叶算法对非线性薛丁方程进行数值模拟。分析了分步傅里叶算法的特点。结合这两种模拟算法可以对光子晶体光纤中超连续谱的产生进行精确的模拟研究。我们设计并制备了一种七芯光子晶体光纤,对其中超连续谱的产生进行了模拟和实验。提出了通过在这种七芯光子晶体光纤中引入一段拉锥段,可以改变光纤的群速度关系,使得时域上被延迟的长波长区域的孤子加速,实现脉冲的时域再压缩。促使孤子与其他光谱成分在时域上相互重叠,通过非线性作用进一步促进新的光谱成分的产生。模拟和实验结果符合的较好,证明了通过在这种光子晶体光纤中引入拉锥段可以增强超连续谱的短波长成分,改善超连续谱的平坦度和光谱宽度。设计并制备了一种大空气孔方形悬挂芯光子晶体光纤。对该光纤的色散和非线性特性进行了模拟分析。使用1040 nm飞秒脉冲泵浦对该方形悬挂芯光子晶体光纤进行泵浦,实现了效率高达43%的色散波-泵浦转换效率。同时实验证明产生的高效率的536 nm色散波为线偏振。通过对光纤的损耗特性分析证明了该方形悬挂芯光纤的两个正交的线偏振基模在长波长区域的损耗差别很大,类似于单模单偏振光纤,导致只有一个偏振方向上能发生强烈的切伦科夫辐射。搭建了一种结构简单的开腔结构激光器,并研究了其中高峰值功率调Q脉冲的产生以及所形成的超连续谱输出。在1.7 W的LD泵浦功率下即可实现超连续谱的产生。根据实验结果进行分析,证明高峰值功率的纳秒量级脉冲的产生是由于长的单模光纤中受激布里渊散射效应导致的。两段长的单模光纤通过受激布里渊散射效应为光腔提供反馈并窄化脉冲导致被动调Q脉冲的形成。同时长单模光纤作为非线性介质产生800 nm到超过1700 nm的宽带超连续谱。使用长的高非线性光子晶体光纤代替单模光纤获得了光谱更宽、平坦度更高的超连续谱。搭建了一个结构简单的基于非线性萨格纳克环形镜的9字型低重频锁模光纤激光器。该激光器采用双包层掺镱光纤,输出功率可以达到W量级,脉宽数百皮秒。只需经过一级放大就可将输出功率放大至10W以上。结合光子晶体光纤的低损耗熔接技术,我们实现了超宽带的全光纤化超连续谱输出。使用的小纤芯的高非线性光子晶体光纤适合于较低功率宽带超连续谱产生;大芯径的光子晶体光纤可以实现很小的熔接损耗,同时能偶承受较高的泵浦功率,有利于获得高功率的超连续谱输出。


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