被动锁模光纤激光器输出孤子特性研究

发布时间：2017-12-06 21:04

  本文关键词：被动锁模光纤激光器输出孤子特性研究

  更多相关文章： 被动锁模光纤激光器 耗散孤子 束缚态孤子 增益带宽 增益饱和能量 可饱和吸收体

【摘要】：锁模光纤激光器所产生的高重复率高能量的超短光脉冲可以成为光通信系统中理想的信息载体。它具有高增益、高转换效率、高稳定性、低阈值和低成本等优点,在精密机械加工、非线性频率变换、传感、医疗和国防等领域有广泛的应用前景。根据锁模实现方式的不同,锁模光纤激光器可分为主动锁模和被动锁模光纤激光器,被动锁模光纤激光器作为成本低、可靠性高的超快光源,得到广泛深入的研究。被动锁模光纤激光器是真正的全光纤器件,利用光纤的色散和非线性效应作用,能够产生超短的光脉冲。根据谐振腔中总色散值的不同,被动锁模光纤激光器可以产生传统光孤子、自相似脉冲、展宽脉冲和耗散孤子。传统光孤子存在于可积系统,也就是守恒系统中。耗散孤子的概念区别于传统的光孤子,它存在于非守恒系统。光纤激光器谐振腔中总的群速度色散为正值时,会产生耗散孤子。耗散孤子可以产生很高的脉冲能量,而且能够克服传统光孤子受到的能量限制,当脉冲能量较高时能够抵御光波分裂,这些特点使其成为超快激光研究领域的热点之一。本文的工作主要围绕被动锁模光纤激光器输出孤子特性展开研究,分析了光纤激光器的参数对输出脉冲特性的影响,对基于二维材料可饱和吸收体的被动锁模光纤激光器进行了理论和实验研究。本文的主要研究内容如下:1.对锁模光纤激光器的物理机制进行了详细的分析,阐述了锁模光纤激光器的基本原理、锁模过程以及分类。详细推导了非线性薛定谔方程的建立过程,介绍了锁模光纤激光器仿真模型的分类,分析了锁模光纤激光器的仿真分析方法。对被动锁模光纤激光器中的关键器件进行了建模,建立了被动锁模光纤激光器的仿真模型。2.对被动锁模光纤激光器输出的光孤子类型进行了分析。重点论述了传统光孤子、自相似脉冲和耗散孤子的形成机理和物理特性等相关理论。采用短时傅里叶变换和Wigner-Ville分布两种时频分析方法分别对自相似脉冲进行啁啾提取,并分析了提取效果的统计学特性,对比了这两种方法在啁啾提取上的优劣。3.研究了被动锁模光纤激光器系统参数对输出孤子特性的影响。首先,仿真分析了光纤激光器的群速度色散、小信号增益、增益带宽以及增益饱和能量等参数对输出耗散孤子脉宽、峰值功率和单脉冲能量的影响。其次,对束缚态耗散孤子对的特性进行了详细的研究,在被动锁模光纤激光器中,满足一定条件时,可以输出稳定的束缚态耗散孤子对。束缚态耗散孤子对中两个耗散孤子的间距随着群速度色散、小信号增益以及增益带宽的增加而增加,随着增益饱和能量的增加而减小;耗散孤子对的峰值功率随着群速度色散和增益带宽的增加而减小,随着小信号增益与增益饱和能量的增加而增加;耗散孤子对的脉冲能量随着各参数的增加而增加;孤子对中耗散孤子的脉宽基本保持不变,只是随着小信号增益的增加会有所增加。我们在研究中发现,在稳定的束缚态耗散孤子对产生前,会出现不稳定的三耗散孤子状态,当增益带宽从39nm逐渐增加到44nm的过程中,会产生三个耗散孤子,增益带宽的变化对三耗散孤子的特性有一定的影响,但其影响非常小。最后,研究了泵浦方式的不同对被动锁模光纤激光器输出自相似脉冲性能的影响,分别采用前向和后向两种泵浦方式进行分析。重点分析了在不同泵浦方式下,掺镱被动锁模光纤激光器系统的增益带宽对输出自相似脉冲的脉宽、峰值功率、单脉冲能量的影响,得到了各参数随着增益带宽变化的曲线,对不同泵浦方式下自相似脉冲的特性进行了比较与分析。4.分析了基于二维材料的被动锁模光纤激光器输出孤子的特性。首先,研究了二维材料的特性,重点介绍了石墨烯和黑磷的物理特性,二维材料因其独特的光电特性,成为被动锁模光纤激光器中可饱和吸收体的最佳选择。其次,建立了以黑磷作为可饱和吸收体的掺铒被动锁模光纤激光器结构,讨论了增益带宽与增益饱和能量共同作用时对耗散孤子的脉宽、峰值功率和单脉冲能量等参数的影响,分析结果表明,对于耗散孤子的单脉冲能量而言,增益带宽对它的影响远小于增益饱和能量对它的影响。最后,实验研究了基于石墨烯的被动锁模光纤激光器,获得了孤子脉冲单元。这种孤子单元包含三个峰值,在时域上表现为孤子单元中的各个孤子间的距离是变化不定的,由于孤子脉冲之间的相互作用,在整个频域范围内,它的光谱呈现出无规则的调制状态,这种状态与以往的束缚态孤子的状态有着明显的区别。以往文献中几乎没有对于具有变化的脉冲间距的孤子单元的相关研究报道,本文的实验结果与以往已报道的实验中观察到的结果是不同的,我们首次报道的这种孤子脉冲单元是被动锁模光纤激光器系统中的一种全新的孤子状态,这种状态是束缚态孤子与普通孤子之间的一种过渡状态。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN248

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