部分相干光在光纤中的非线性效应研究
本文选题:光纤光学 + 部分相干光 ; 参考:《清华大学》2016年博士论文
【摘要】:随着光纤放大系统的发展,光脉冲输出功率和能量的不断提高,高功率光纤放大器在工业加工、医疗以及深空激光通信等领域的应用不断加深。部分相干光具有激光等相干光所不具备的优势,如无散斑成像,光谱匀滑稳定等。部分相干光在低相干度干涉测量、光学相干断层扫描(OCT)、光纤陀螺、惯性约束核聚变驱动源等方面有重要的应用。部分相干光在光纤放大系统中也会出现各种非线性效应,如自聚焦、自相位调制(SPM)、受激拉曼散射(SRS)、受激布里渊散射(SBS)等,它们往往成为光波输出性能提升的限制因素。目前,部分相干光在光纤中的非线性效应还缺乏深入探究,本论文从以下几个方面对部分相干光在光纤中的非线性效应进行了研究。首先是部分相干光在大模场光纤中的自聚焦阈值理论研究。基于Wigner变换下的非线性薛定谔方程,实现了对部分相干光在大模场光纤中的自聚焦阈值数值求解。模拟发现,自聚焦阈值主要依赖于光纤中光波的光束质量因子M2以及光谱带宽。论文给出了对部分相干光和相干光均适用的自聚焦阈值公式。该公式表明,光波相干性的下降有助于自聚焦阈值的提升。然后论文唯象地提出了部分相干光在光纤中的自相位调制光谱展宽模型。该模型引入了色散对光波平均调制深度的影响,并给出了显式表达的光谱展宽公式。该模型与直接数值求解非线性薛定谔方程有定量相符的结果。此外,在搭建的窄谱和宽谱实验平台上该模型也得到了较好的验证。接下来论文采用Wigner变换法解含有拉曼效应的非线性薛定谔方程组,实现了对部分相干光在光纤中的SRS演化求解。计算结果表明部分相干光的SRS阈值与相干光相同。实验上,分别搭建了宽带和窄带部分相干光系统,并在无源纤中进行了SRS阈值实验研究,实验结果与理论预测定量相符。论文还提出了利用SRS效应消除脉冲尖峰的方法,以及利用双向拉曼散射进行脉冲整形的可能性。最后,论文对部分相干光在光纤中的SBS经典阈值公式进行了修正。提出了截止带宽概念,即当入射光波带宽大于该截止带宽值时,SBS会在自相位调制光谱展宽以及SRS效应的共同作用下受到完全抑制。该现象得到了实验的验证。论文结尾对部分相干光在光纤中的非线性效应进行了总结和展望。
[Abstract]:With the development of optical fiber amplifier system, the output power and energy of optical pulse are increasing, and the application of high power fiber amplifier in the fields of industrial processing, medical treatment and deep space laser communication has been deepened. Partial coherent light has some advantages such as speckle free imaging, spectral smoothing stability and so on. Partially coherent light has important applications in low coherence interferometry, optical coherence tomography (Oct), fiber optic gyroscope (fog), inertial confinement fusion drive source and so on. There are also various nonlinear effects of partially coherent light in optical fiber amplifiers, such as self-focusing, self-phase modulation (SPM), stimulated Raman scattering (SRS) and stimulated Brillouin scattering (SBS), which are often the limiting factors for improving the output performance of optical waves. At present, the nonlinear effect of partially coherent light in optical fiber is not studied deeply. In this paper, the nonlinear effect of partially coherent light in fiber is studied from the following aspects. Firstly, the self-focusing threshold theory of partially coherent light in large-mode fiber is studied. Based on the nonlinear Schrodinger equation under Wigner transform, the self-focusing threshold of partially coherent light in large-mode optical fiber is solved numerically. It is found that the self-focusing threshold is mainly dependent on the beam quality factor M2 and the spectral bandwidth of the optical wave in the fiber. In this paper, the self-focusing threshold formula for both partially coherent light and coherent light is given. The formula shows that the decrease of optical coherence is helpful to raise the self-focusing threshold. Then the self-phase modulation spectral broadening model of partially coherent light in optical fiber is presented phenomenologically. In this model, the influence of dispersion on the average modulation depth of light wave is introduced, and the explicit spectral broadening formula is given. The results of this model are in good agreement with the direct numerical solution of nonlinear Schrodinger equation. In addition, the model is well verified on the platform of narrow spectrum and wide spectrum. Then the Wigner transform method is used to solve the nonlinear Schrodinger equations with Raman effect, and the SRS evolution of partially coherent light in optical fiber is solved. The results show that the SRS threshold of partially coherent light is the same as that of coherent light. In the experiment, broadband and narrowband partially coherent optical systems are built, and the SRS threshold in passive fiber is studied. The experimental results are in good agreement with the theoretical prediction. The method of eliminating pulse spike by using SRS effect and the possibility of pulse shaping using bidirectional Raman scattering are also proposed. Finally, the classical SBS threshold formula of partially coherent light in optical fiber is modified. In this paper, the concept of cut-off bandwidth is proposed, that is, when the bandwidth of incident light is larger than the cut-off bandwidth, it will be completely suppressed by the self-phase modulation spectrum broadening and the SRS effect. This phenomenon is verified by experiments. At the end of the paper, the nonlinear effect of partially coherent light in optical fiber is summarized and prospected.
【学位授予单位】:清华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TN248;TN722
【相似文献】
相关期刊论文 前10条
1 赵珂;关于倍频的部分相干光理论: I.定义与描述[J];量子电子学报;2001年05期
2 赵珂;关于倍频的部分相干光理论:Ⅱ.一致性分析[J];量子电子学报;2001年06期
3 白贵儒,吕洪君,朱冰;部分相干光下的图象相减[J];中国激光;1986年09期
4 张月;陆文虎;;用部分相干光来处理激光散斑图片[J];光学仪器;1989年03期
5 鄂国挧;部分相干光照明下环孔成像系统对两个点物的分辨[J];北京工业大学学报;1994年02期
6 吕百达,,张彬,蔡邦维;部分相干光聚焦场特性的分析[J];激光技术;1996年02期
7 刘晓云,蒲继雄,胡现代,蔡超,吴逢铁;部分相干光被环形透镜聚焦而产生的焦移[J];强激光与粒子束;2005年03期
8 唐毓磊;;聚焦多色部分相干光的光谱变化[J];沿海企业与科技;2008年05期
9 林子扬;抛物面镜部分相干光图像加减实验与分析[J];暨南大学学报(自然科学与医学版);1997年01期
10 李建龙;吕百达;;基于自适应遗传算法部分相干光整形位相板的优化设计[J];物理学报;2008年05期
相关会议论文 前1条
1 蔡阳健;林强;朱诗尧;;用部分相干光来模拟“鬼”干涉和“鬼”成像[A];大珩先生九十华诞文集暨中国光学学会2004年学术大会论文集[C];2004年
相关博士学位论文 前4条
1 李青华;部分相干光在光纤中的非线性效应研究[D];清华大学;2016年
2 王飞;部分相干光的相关理论和实验研究[D];浙江大学;2008年
3 潘留占;部分相干光及其光谱变化的研究[D];四川大学;2003年
4 王莉;部分相干光的传输特性和光谱变化研究[D];西南交通大学;2007年
相关硕士学位论文 前10条
1 张博;基于相位调制的部分相干光特性分析与实验研究[D];西安电子科技大学;2014年
2 龙敏慧;湍流大气中部分相干光传输特性与关联成像研究[D];西安电子科技大学;2014年
3 宋卢军;基于GPU的实时部分相干光并行生成算法研究[D];长春理工大学;2016年
4 石鹏;光纤阵列部分相干光大气光通信性能研究[D];西安电子科技大学;2016年
5 杨洋;部分相干光“鬼”干涉[D];辽宁大学;2012年
6 刘晓云;部分相干光传输的理论和实验研究[D];华侨大学;2006年
7 张志方;光纤阵列部分相干光产生方法与实验研究[D];西安电子科技大学;2014年
8 杨娟;光折变介质中部分相干光孤子的研究[D];浙江工业大学;2009年
9 李俊;部分相干光通过球差透镜的聚焦特性[D];江西师范大学;2008年
10 吴运梅;部分相干光传输特性的研究[D];西南交通大学;2007年
本文编号:1917938
本文链接:https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/xxkjbs/1917938.html