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长脉冲和连续光泵浦光子晶体光纤产生超连续谱的相关研究

王彦斌  
【摘要】:对于超连续谱产生的研究,在物理机制方面,不仅有助于深刻理解所涉及非线性效应的作用机理,而且有助于深入研究介质色散对脉冲时域、频域演化的影响;在实际应用方面,超连续谱光源由于具有光谱范围极宽、相干性能优良等优点,在光通信领域尤其是波分复用技术、光谱学、光频率计量学、光学相干层析以及军事领域都有广泛的应用。因此,本论文从数值模拟和实验探索两个方面,详细研究了长脉冲和连续光机制下单波长、双波长泵浦光子晶体光纤(PCF)超连续谱的产生,主要包括以下几个内容: 1.采用自适应分步傅立叶法求解广义非线性薛定谔方程,数值模拟了长脉冲和连续光机制下单波长泵浦PCF超连续谱的形成过程。在长脉冲泵浦机制下,逐渐增加入射脉冲的峰值功率,研究了调制不稳定性在长脉冲分解过程中发挥的重要作用,以及高阶孤子分解产生的红移孤子和蓝移色散波在加宽光谱长波和短波方向的作用,并且产生了与实验结果非常吻合的超连续谱。在连续光泵浦机制下,逐渐增加PCF的长度,研究了连续光的分解、超短脉冲形成后的自陡效应,以及致使超连续谱向可见波段延伸的孤子诱捕效应,最后采用多次模拟求平均的方法,获得了与实验结果非常一致的超连续谱。 2.从模拟和实验两个方面研究了PCF中四波混频效应的产生,并且提出了基于PCF四波混频效应的全光波长转换器。首先,从振幅耦合方程组出发,推导了信号光和空闲光的演化方程、参量增益式和相位匹配条件,并且分析了影响四波混频增益的几个因素。其次,模拟研究了PCF的结构参数、入射脉冲的峰值功率和脉宽对四波混频效应产生的影响,总结了四波混频效应产生的一般规律。然后,采用Nd:YAG调Q微晶片纳秒激光器在PCF的正常色散区泵浦,产生了信号光在747nm、空闲光在1848nm的四波混频效应。最后,提出了基于PCF四波混频效应的全光波长转换器,与基于激光器四波混频效应的全光波长转换器相比,它只需一台激光器,同时提供泵浦源和转换波长,结构简单,而且由于PCF的结构灵活可调,该转换器可以在更大范围内实现波长转换。 3.针对全光纤结构的双波长泵浦实验方案,建立合适的理论模型,数值模拟了长脉冲和连续光机制下双波长泵浦PCF类白光超连续谱的形成过程。在长脉冲泵浦机制下,分两步研究超连续谱的产生:第一,模拟残留泵浦光和信号光的单独演化,研究它们在光谱形成中各自发挥的作用;第二,模拟它们的共同演化,以研究它们之间发生的相互作用,以及双波长群速度不匹配对产生光谱的影响。将全光纤结构的双波长泵浦方案应用到连续光机制,模拟研究了该机制下类白光超连续谱的产生,鉴于连续光激光器较高的平均输出功率,模拟结果表明连续光机制下的双波长泵浦方案有望产生高功率谱密度的类白光超连续谱。 4.实验研究了皮秒、纳秒和连续光泵浦PCF超连续谱的产生。首先,提出了一种加热塌缩PCF空气孔增加其模场直径的方法,结果表明模场直径的增大,不仅可以显著增加PCF的耦合效率和表面损伤阈值,而且可以降低模场直径不匹配引起的熔接损耗。其次,基于全光纤结构的实验方案,采用持续时间为14ps的、中心波长为1064nm的皮秒脉冲泵浦PCF,产生了光光转换效率高达85%、15dB带宽从600nm以下一直延伸到1700nm以上的超连续谱。然后,基于透镜耦合的实验方案,采用脉宽为200ns、中心波长为1064nm的纳秒脉冲泵浦PCF,获得了平均功率为1.2W、10dB带宽从710nm一直延伸到1700nm的平坦超连续谱。最后,进行了连续光泵浦PCF超连续谱产生的尝试,分析了实验中出现的一些问题,比如熔接点处的热量积累,为产生高功率密度的宽带超连续谱提供有益的参考。


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