高非线性双芯光纤可饱和吸收体的理论研究
发布时间：2020-11-04 23:14
目前,被动锁模光纤激光器已经被广泛使用在工业、医疗、生物和非线性光学等应用领域。可饱和吸收体作为被动锁模激光器中非常重要的器件之一,利用其能够吸收低功率信号、透射高功率信号的特性获得幅度调制特性,以实现锁模。其中,基于光纤的可饱和吸收体包括非线性光纤环路镜、非线性放大环路镜等。目前,双芯光纤由于其特殊的纤芯结构,已被验证能够作为可饱和吸收体。然而,对于双芯光纤可饱和吸收特性的研究大多基于准连续耦合方程,虽然可以满足脉冲宽度较大的情况,但对于飞秒级的超短光脉冲传输并不适用。基于上述研究背景,本文在考虑超短脉冲的情况下,针对基于高非线性双芯光纤实现可饱和吸收特性进行了深入研究。首先,本文对双芯光纤进行仿真分析,初步分析耦合系数与纤芯标准化间距、非线性系数与波长的关系。接下来数值求解准连续波耦合方程,从结果可知,在确定入射波长时,为了获得较低的可饱和吸收体饱和功率,可以适当增加标准化间距以减弱相邻纤芯间线性耦合,或者通过适当增加入射光功率来增强非线性作用。基于此结论,为下一步研究超短脉冲在双芯光纤中的特性提供了参数选择依据。其次,本文基于超短脉冲传输耦合方程研究了光脉冲通过双芯光纤实现可饱和吸收动态特性。与准连续耦合方程不同之处在于,超短脉冲传输耦合方程除了自相位调制和线性耦合,还考虑的影响因素包括光纤的受激拉曼散射(SRS)、自陡和色散作用,同时,论文还分析了光纤结构和入射脉冲参数对双芯光纤输出脉冲的时域波形、频谱和透射率的影响。本文分别求解只忽略SRS、色散或自陡效应项后的耦合方程,以研究以上因素分别对输出特性的影响。通过与求解完整超短脉冲传输耦合方程结果相对比,在本文选用的纤芯材料和光纤结构下,脉冲宽度小于1ps时,SRS会使饱和功率降低;色散作用会导致脉冲时域展宽以降低脉冲的峰值功率,从而减弱非线性所致饱和作用;自陡效应对此时的透射率的影响可以忽略。最后,本文将双芯光纤可饱和吸收体应用于全正常色散被动锁模光纤激光器中,并且进行数值计算分析。结果表明,基于高非线性双芯光纤可饱和吸收体的锁模光纤激光器可以实现自相似抛物脉冲波形的输出。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN248
【部分图文】：
应使脉冲中能量较高的部分在漂白时间内无损耗通过。在石墨烯的可饱和吸收过??程中存在两个弛豫时间，前者在０．４ｐｓ？１．７ｐｓ范围，可起到启动锁模的作用；而后??者为７０ｆｓ？１２０ｆｓ，可以有效压缩脉宽，稳定锁模。其实现锁模的结构如图１－４所??示。由于石墨烯零带隙能带的特殊结构，使得其吸收作用在很宽的波长范围内都有??效。同时，石墨烯还具有其它很多优点，包括较短的弛豫时间、较大的导热系数、??较高的非线性系数以及较为低廉的成本，因此石墨烯被认为是理想的可饱和吸收??体材料Ｐ４１Ｐ５１。??碳纳米管的管状形态会产生很大的散射损耗，提高了锁模阈值，限制了激光输??出功率和效率。石墨烯只适用于功率较低的情况下，否则会因发热造成损伤，影响??其可靠性。另外两者在调制深度上都是有限的，不适用于超短脉冲的发生［２６】。??１４８０ｎｍ泵浦激光器??▲?Ｊ?＿?隔离器??１?ａｔ?１?＇．??—用一■??Ｊｙ?＼?Ｉ???１１１…＂＿｜????Ｌ?１?＾耦合器??Ｔ?３０％输出??图１－４石墨烯可饱和吸收体锁模结构??Ｆｉｇｕｒｅ?１－４?Ｔｈｅ?ｓｔｒｕ
光子晶体光纤［３ＱＨ３２】，本文使用的是普通意义的双芯实心光纤。文献［３３］中提出了??一种硫化物玻璃制成的新型同心光纤结构，用作被动锁模光纤激光器中的可饱和??吸收体。该同心光纤的结构如图１－５所示，这是一种同心圆形式的非线性开关和??锁模器件，由具有相同折射率的中心圆形芯和环形芯组成，这种结构被称之为双中??心结构（ＴＣＣ）【３４］。选择这种结构的一个原因是其制造工艺简单，在光纤径向拉制??的过程中能够更容易地控制误差。另一个原因是该光纤的中心纤芯能够更加容??易地对准激光器谐振腔中的单模光纤，性能上也更加强大。??（■?；＂?．：■！］??＿ｎｓＸｉ＾??ｎ?ｒ２?ｒ３??图１－５光纤的横截面视图和折射率分布图??Ｆｉｇｕｒｅ?１－５?Ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎａｌ?ｖｉｅｗ?ａｎｄ?ｔｈｅ?ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ?ｉｎｄｅｘ?ｐｒｏｆｉｌｅ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｆｉｂｅｒ??全光纤锁模装置如图１－６所示，光束通过输入单模光纤注入到双芯光纤耦合??器的中心纤芯中，并从另一端的单模光纤输出。输入光束的模场分布是近似高斯光??束的对称形式，所以通过将输入端单模光纤的纤芯与同心圆结构构成的光纤耦合??６??
在耦合器中将只有零角动量模式ｌ３６］。对于低功率的输入光，两个纤芯之间周期性交换。对于高功率的输入光，产生的非线性效应将导的折射率。从而导致模式的传输常数发生变化，造成两个纤芯对应传位失配，并因此会降低纤芯之间的耦合效率，这意味着光将主要保存在７］。因此，如果脉冲在长度等于半拍长的耦合器中传输，其低功率的部分到相邻的纤芯，而其高功率的中心将保持在输入纤芯［３８１，从而实现可性。??
【参考文献】
本文编号：2870751
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN248
【部分图文】：
应使脉冲中能量较高的部分在漂白时间内无损耗通过。在石墨烯的可饱和吸收过??程中存在两个弛豫时间，前者在０．４ｐｓ？１．７ｐｓ范围，可起到启动锁模的作用；而后??者为７０ｆｓ？１２０ｆｓ，可以有效压缩脉宽，稳定锁模。其实现锁模的结构如图１－４所??示。由于石墨烯零带隙能带的特殊结构，使得其吸收作用在很宽的波长范围内都有??效。同时，石墨烯还具有其它很多优点，包括较短的弛豫时间、较大的导热系数、??较高的非线性系数以及较为低廉的成本，因此石墨烯被认为是理想的可饱和吸收??体材料Ｐ４１Ｐ５１。??碳纳米管的管状形态会产生很大的散射损耗，提高了锁模阈值，限制了激光输??出功率和效率。石墨烯只适用于功率较低的情况下，否则会因发热造成损伤，影响??其可靠性。另外两者在调制深度上都是有限的，不适用于超短脉冲的发生［２６】。??１４８０ｎｍ泵浦激光器??▲?Ｊ?＿?隔离器??１?ａｔ?１?＇．??—用一■??Ｊｙ?＼?Ｉ???１１１…＂＿｜????Ｌ?１?＾耦合器??Ｔ?３０％输出??图１－４石墨烯可饱和吸收体锁模结构??Ｆｉｇｕｒｅ?１－４?Ｔｈｅ?ｓｔｒｕ
光子晶体光纤［３ＱＨ３２】，本文使用的是普通意义的双芯实心光纤。文献［３３］中提出了??一种硫化物玻璃制成的新型同心光纤结构，用作被动锁模光纤激光器中的可饱和??吸收体。该同心光纤的结构如图１－５所示，这是一种同心圆形式的非线性开关和??锁模器件，由具有相同折射率的中心圆形芯和环形芯组成，这种结构被称之为双中??心结构（ＴＣＣ）【３４］。选择这种结构的一个原因是其制造工艺简单，在光纤径向拉制??的过程中能够更容易地控制误差。另一个原因是该光纤的中心纤芯能够更加容??易地对准激光器谐振腔中的单模光纤，性能上也更加强大。??（■?；＂?．：■！］??＿ｎｓＸｉ＾??ｎ?ｒ２?ｒ３??图１－５光纤的横截面视图和折射率分布图??Ｆｉｇｕｒｅ?１－５?Ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎａｌ?ｖｉｅｗ?ａｎｄ?ｔｈｅ?ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ?ｉｎｄｅｘ?ｐｒｏｆｉｌｅ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｆｉｂｅｒ??全光纤锁模装置如图１－６所示，光束通过输入单模光纤注入到双芯光纤耦合??器的中心纤芯中，并从另一端的单模光纤输出。输入光束的模场分布是近似高斯光??束的对称形式，所以通过将输入端单模光纤的纤芯与同心圆结构构成的光纤耦合??６??
在耦合器中将只有零角动量模式ｌ３６］。对于低功率的输入光，两个纤芯之间周期性交换。对于高功率的输入光，产生的非线性效应将导的折射率。从而导致模式的传输常数发生变化，造成两个纤芯对应传位失配，并因此会降低纤芯之间的耦合效率，这意味着光将主要保存在７］。因此，如果脉冲在长度等于半拍长的耦合器中传输，其低功率的部分到相邻的纤芯，而其高功率的中心将保持在输入纤芯［３８１，从而实现可性。??
【参考文献】
相关期刊论文 前2条
1 赵磊;隋展;朱启华;张颖;左言磊;;分步傅里叶法求解广义非线性薛定谔方程的改进及精度分析[J];物理学报;2009年07期
2 张伟;陈国夫;赵卫;王屹山;李喆;侯洵;;非线性放大环形镜“8”字腔光纤激光器实验研究[J];光子学报;2006年12期
本文编号：2870751
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