超短激光脉冲与光子晶体光纤非线性相互作用的研究

摘要

光子晶体光纤是近年来出现的由空气孔构成微结构包层的一种新型光纤。这种特殊的微结构包层设计使得光子晶体光纤与常规光纤相比具有许多不同寻常的光学特性。比如:无截止单模传输特性、灵活可控的色散特性、增强的非线性特性等。这些特性使得光子晶体光纤成为研究超短激光脉冲与光纤非线性相互作用的优良介质,并使其在超连续谱光源、相干层析成像、脉冲压缩、生物传感、孤子开关、光通信等领域获得了成功的应用。因此,研究超短激光脉冲与光子晶体光纤的非线性相互作用,具有重要的学术意义和实际应用价值。
　　本论文对超短脉冲与光子晶体光纤非线性相互作用进行了一系列的研究。主要的研究成果如下:
　　(1)研究了全波段正常色散光子晶体光纤中的高相干度超连续谱的产生及超连续谱脉冲的压缩。研究表明,色散效应越弱,越有利于高相干度超连续谱的产生;在色散效应较小处抽运时,获得了带宽为587nm、平坦度小于7dB的高相干度的超连续谱;超连续谱的相干性越高越有利于脉冲压缩,采用光栅对压缩器对高相干度超连续谱脉冲进行压缩,获得了脉宽为8.4fs、压缩质量因子为88.88％的超短光脉冲。因此,抑止色散效应,利用自相位调制可获得高相干度的超连续谱及高质量的脉冲压缩。
　　(2)研究了负啁啾抛物线脉冲在全波段正常色散光子晶体光纤中的非线性传输和近傅立叶变换极限的压缩谱的产生。研究表明:光纤群速度色散越弱,自相位调制效应越占主导地位,越有利于高质量的近傅立叶变换极限的压缩谱的产生,其产生机理为负啁啾与自相位调制效应产生的正啁啾之间的精确平衡。此外,脉宽越长越有利于获得近傅立叶变换极限的压缩谱。采用脉宽为500fs的高负啁啾的抛物线脉冲泵浦全波段正常色散光子晶体光纤,在最佳压缩距离cmZC=4处,可获得谱宽小于4nm,最大压缩比可超过32的近傅立叶变换极限的压缩谱。
　　(3)研究了双零色散点光子晶体光纤中拉曼孤子的红移辐射现象及其产生机理。研究发现:采用双脉冲进行泵浦,并使其产生脉冲俘获效应时,拉曼孤子的红移辐射的强度明显要比采用同条件下单脉冲泵浦的红移辐射的强度增强很多。进一步研究表明:红移辐射的增强机理是拉曼孤子受脉冲俘获效应和高阶色散效应的影响而将能量转移到红移辐射成分中。
　　(4)研究了单、双脉冲在双芯光子晶体光纤中的非线性传输和孤子开关现象的产生。研究表明:当单脉冲泵浦且入射峰值功率较低时,孤子开关现象稳定,而且开关转换效率高;当泵浦激光的入射峰值功率较大时,孤子发生了明显的分裂现象,产生了多个频率成分,孤子开关现象逐渐消失。研究表明:当两芯间入射峰值功率相差较大时,仍然存在孤子开关现象,且开关转换效率高。但当两芯间入射峰值功率接近相等时,开关转换效率急剧下降,甚至开关现象消失,但当改变两脉冲的初始延迟时,两芯间的能量耦合又重新出现,而且随着延迟时间的增加,两芯间的能量耦合越来越强。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 光子晶体光纤

1.3 国内外光子晶体光纤非线性特性的研究进展

1.4 本论文的研究内容

2 光子晶体光纤非线性光学特性的理论基础

2.1 引言

2.2 超短激光脉冲在光纤中的传输的基本方程

2.3 自相位调制

2.4 交叉相位调制

2.5 四波混频

2.6 孤子

2.7 受激拉曼散射

3 高相干度超连续谱的产生及其脉冲压缩

3.1 引言

3.2 理论模型

3.3 高相干度超连续谱的产生

3.4 超连续谱脉冲的压缩

3.5 本章结论

4 近傅立叶变换极限的谱压缩

4.1 引言

4.2 数值模型

4.3 初始啁啾对谱压缩的影响

4.4 泵浦波长对谱压缩的影响

4.5 入射峰值功率对谱压缩的影响

4.6 脉宽对谱压缩的影响

4.7 本章结论

5 拉曼孤子的红移辐射现象的研究

5.1 引言

5.2 数值模型

5.3 泵浦波长对拉曼孤子的红移辐射的影响

5.4峰值功率对拉曼孤子的红移辐射的影响

5.5脉宽对拉曼孤子的红移辐射的影响

5.6 初始啁啾对拉曼孤子的红移辐射的影响

5.7 脉冲俘获对拉曼孤子的红移辐射的影响

5.8 本章小结

6 双芯光子晶体光纤中孤子开关现象的研究

6.1 引言

6.2 数值模型

6.3 单脉冲在双芯光子晶体光纤中的非线性传输和孤子开关现象的产生

6.4 双脉冲在双芯光子晶体光纤中的非线性传输和孤子开关现象的产生

6.5 本章结论

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文目录