三个零色散点PCF中色散斜率对超连续谱的影响研究

发布时间：2020-09-10 10:00

　　超连续谱(Supercontinuum,SC)是指输入脉冲在非线性介质中传输时,很多新的频率成分产生,出现了在光纤输出端脉冲频谱比输入脉冲频谱宽的一种物理现象。光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)是一种新型的微结构光纤,其高非线性和灵活设计的色散特性成为研究色散波和超连续谱产生的优良物理载体。脉冲传输时受到PCF中各种高阶非线性效应的影响,其中包含高阶色散还有自相位调制、自陡效应、受激拉曼散射等高阶非线性效应。利用PCF来研究SC引起学者们的兴趣。对色散波和孤子的生成过程进行深入探讨是研究SC的生成过程的必经之路。本文从理论上和实验上模拟分析不同色散斜率情况下对产生超连续谱产生的影响。第一:从物理学上入手推导脉冲在非线性介质中遵循的传输方程,并利用数值算法求解方程;介绍脉冲精确测量技术,并对经过测量的脉冲进行精确分析。第二:研究了具有高非线性的PCF作为光脉冲的传输介质时,脉冲会受到各种非线性效应的影响。其中,群速度色散使得输入脉冲展宽。自相位调制使得脉冲的输出频谱中出现了新的频率成分,输出频谱光谱展宽。自陡效应引起脉冲发生畸变,脉冲后沿变陡前沿变得平缓。脉冲内拉曼散射作用使得能量不断的从蓝端向红端转移,随着距离的增加,发生了孤子的红移现象。第三:在本文中采用C++代码运行数据,并利用matlab进行实验仿真。根据实验需求设计了具有三个零色散点PCF,它不仅具有正色散斜率还有负色散斜率,分析当相同的泵浦波长处于不同光纤色散斜率情况下时,通过仿真实验分析脉冲在光纤中传输时的频域演化图。实验表明,在不同色散斜率情况下,色散波生成有所不同,输出频谱不同。当泵浦波长处于正色散斜率时且不断增大,蓝移色散波减少;当脉冲传输到色散斜率为负的第二个零色散波长附近,红移色散波增强。在长波长正常色散区与长波长反常色散区之间发生了明显的孤子频谱遂穿现象,导致脉冲频谱展宽；同时,在频域中色散波孤子形成的越晚;随着色散斜率的增加生成的超连续谱平坦性增强。
【学位单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN253
【部分图文】：

截面图,超连续谱,色散特性,光子晶体光纤

是一种单一介质的新型光纤，它的包层是由空气孔构成的微结构ｍ。它具有很多逡逑的优良特性，因此可以说它的导光性能接近完美。世界上的第一根ＰＣＦ制备于２０逡逑世纪９０年末代，它是Ｋｎｉｇｈｔ等人通过实验设计所得［４］。图１．１是常见ＰＣＦ的截面示逡逑意图，它的包层由空气孔构成，这些空气孔按照一定的规律排列，中间缺陷部分逡逑为纤芯，其纤芯可以是空心或者实心，在研究超连续谱时通常不采用空心的光子逡逑晶体光纤，因为受到它自身结构的限制，因此它的非线性效应很弱，不利于产生逡逑超连续谱。逡逑000000逡逑0000000逡逑00？00000逡逑000000000逡逑0000000000逡逑00000邋00000逡逑0000000000逡逑000000000逡逑00000000逡逑0000？00逡逑000000逡逑图１．１邋ＰＣＦ截面示意图逡逑ＰＣＦ的可设计性是它最大的优势，从上图中我们可以看到，光纤结构具有整逡逑齐排列的空气孔，因此合理设计ＰＣＦ，可以使得达到光纤拥有不同色散特性。图逡逑中展示了邋ＰＣＦ的截面图，可以发现它可以通过改变空气孔直径大小、孔间距和空逡逑气孔的排列方式来满足色散特性需求，如色散平坦光纤、色散渐减ＰＣＦ、具有单逡逑个或多个零色散点ＰＣＦ等。最近几年国内外学者对光子晶体光纤的有关特性和它逡逑的设计早有了很多的成果并进行了多次报道。逡逑１．２．邋１光子晶体光纤的分类逡逑自２０世纪９０年代末出世的第一根光子晶体光纤以来

样图,实验装置图

个信号脉冲，这个信号脉冲在一时间段内频率分辨，最后对脉冲强度、频率、延逡逑迟三者之间的关系进行了记录，通过光谱仪记录得到空间样图，就是脉冲的ＦＲＯＧ逡逑轨迹。图２．２是ＦＲＯＧ实验设备，从图中可以看到入射脉冲在经过分束器之后分逡逑成了待测脉冲和开关脉冲两部分。前者是用于产生超连续谱的，后者是经过全反逡逑射镜反射后和探测脉冲平行。接着这两部分都在聚焦透镜作用下，聚集到一般使逡逑用ＢＢＯ晶体的ＳＨＧ晶体上，ＳＨＧ可以产生二次谐波。这两束光波在ＢＢＯ晶体逡逑上的角度、位置会决定参考脉冲是否能够发挥开关作用，为了实现这一目的，需逡逑要进行不断的调节来实现。逡逑在我们的工作中主要使用数值模拟的方法来实现对脉冲Ｘ－ＦＲＯＧ轨迹的记录逡逑模拟。Ｍａｔｌａｂ通俗的来讲，它是一款超级计算机，拥有强大的数据计算和分析能逡逑力，同时具备编程工程，是人们在工程计算中一个得力的助手，己经被广泛应用逡逑到科学运算领域。因此，它为数值分析和算法开发创造了一个条件。由于实验器逡逑材的缺乏

初始啁啾,高斯脉冲,时域,和频

逦Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ邋（ｎｍ）逡逑图３．邋１只有ＧＶＤ时无初始啁啾高斯脉冲时域（ａ）和频域（ｂ）演化图逡逑图３．１显示了在只考虑ＧＶＤ情况下高斯脉冲在时域和频域随着传输距离变化逡逑的演化图，从图上可以看出脉冲在在光纤中传输随着距离的增加，从时域图中可逡逑以观察到脉冲的对称展宽，而频谱没有发生变化。虽然我们知道二阶色散是主要逡逑影响，但是输入脉冲距离零色散波长的大小决定了方程（３．１）中的高次项是否需逡逑要考虑。当泵浦脉冲在接近零色散波长位置处时，我们就要将方程中的高次项考逡逑虑在内。当泵浦波长距离零色散波长较远时，脉冲受到的三阶色散作用很小，几逡逑乎可以忽视。相反，当距离很近时，只需要考虑三阶色散的作用。逡逑图３．２中的左图是脉冲的输入和输出波形对比图，而右图是脉冲在时域上随逡逑着传输距离的空间演化图。从图３．２的波形对比图（左图）可以看出ＴＯＤ造成脉逡逑冲发生畸变

【参考文献】