微结构光纤端面信息提取及超短脉冲传输特性研究

发布时间：2018-03-02 11:45

本文选题：微结构光纤　切入点：数字图像处理　出处：《燕山大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：微结构光纤由于其灵活的结构设计而具有优异的非线性特性及高度可调的色散特性,开启了非线性光纤光学研究领域的新篇章。但是,在制作过程中由于受到重力、拉丝温度、拉丝速度特别是温度场分布不均匀等因素的影响,微结构光纤端面往往出现不规则空气孔塌缩或位置偏移等问题,对具有这种不规则结构光纤进行建模模拟传统技术显得力不从心,这也给获取微结构光纤特性参数、进一步揭示激光脉冲在微结构光纤中传输的非线性机理带来了极大的困难。本文提出了一套基于数字图像处理技术的端面信息提取、处理、建模的一体化方案,可有效提供完全忠于实物特征的微结构光纤结构建模;在此基础上对实验室制备的微结构光纤进行数值模拟,实验研究了飞秒脉冲从光纤的正常色散区泵浦时产生的非线性现象,并揭示了其中存在的独特的非线性机理。本文主要工作如下:首先,针对实际微结构光纤端面特征复杂、噪声来源广等特点,提出了一套基于数字图像处理技术的端面信息提取和处理方案,可广泛适用于对端面图中常见噪声的“弱化”处理,方便得到理想的处理效果图,从而为有限元法的运用提供完全忠于实物特征的结构建模。具体地,布特沃斯高通滤波器及阈值化处理手段被成功引入到方案中,构成了优化的多参数组合处理图片的核心实施方略,这为顺利处理复杂图片,在图片处理过程中良好兼容由各种不同类型显微镜拍摄得到的图片提供了完全可能性。本方案进一步给出了图像处理效果评判依据,并提供了处理后的气孔边缘与原始图像叠加进行对比显示的功能,进一步提高了处理效果的评价直观性和端面建模的准确性。方案中还分析了完美匹配层的选取及曲线拟合条件的选取对色散系数模拟的影响。通过提取微结构光纤端面结构信息、建模并模拟其色散系数,与实验数据对比发现二者吻合的很好,证明了本方法的高效和可靠性。处理结果表明,本方案在对光纤端面图像来源的高适应性、对图像复杂度的高耐受性,以及对处理效果的高评判性和超准确性方面具有明显优势。其次,针对实验室制备的微结构光纤开展了在远离零色散波长的正常色散区入射飞秒脉冲的实验研究,揭示了正常色散区泵浦产生孤子效应的机理,发现了由负的四阶色散参量引起的四波混频效应。具体地,通过模拟获得了微结构光纤的特性参数,对实验现象进行了数值模拟与理论分析,进一步与文献中的实验现象进行对比,合理解释了实验中各个波带的产生机理。研究表明:即使在远离零色散波长的正常色散区泵浦亦可以产生孤子效应和由负的四阶色散参量引起的四波混频效应。这为合理利用微结构光纤的非线性效应提供了重要例证和实现思路。同时,还通过对比研究,深度剖析了三阶色散的符号变化对色散波产生方向的影响。最后,针对一根自制的简单结构石英基光子晶体光纤,利用中心波长0.822μm的飞秒激光进行泵浦,发现了由三阶色散诱导的受激四波混频效应。利用本文提出的微结构光纤端面信息提取技术获得了该光纤的特性参数,通过对四波混频相位匹配曲线的分析,考虑到不同阶色散时的时域振幅随传输距离变化的分析,以及与从零色散波长及反常色散区泵浦时输出光谱的模拟结果进行对比,证明了在特定条件下四波混频也可以由三阶色散诱导发生,并据此提出了受激四波混频的概念。这是对J.Santhanam和Govind P.Agrawal的理论推导的实验证明,也是对传统四波混频效应发生机理理解的颠覆和再认识。其结果对深入理解微结构光纤中的各种非线性效应,开展飞秒激光频率转移和光纤激光器研制等工作都具有重要意义。
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【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN253

【参考文献】