基于光子晶體光纖的大功率高效超寬譜光源研究.pdf

1、光子晶體光纖的出現(xiàn)極大豐富和擴(kuò)展了人們對(duì)于光纖波導(dǎo)的認(rèn)識(shí)，優(yōu)于常規(guī)光纖的顯著特點(diǎn)使其在光傳輸、放大等方面都有極大的應(yīng)用潛力?；诠庾泳w光纖的超寬譜光源就是其特殊波導(dǎo)特性的產(chǎn)物，是光子晶體光纖的一個(gè)最激動(dòng)人心的應(yīng)用。由于超寬譜光源在醫(yī)學(xué)、生物、化學(xué)、通信、精密測(cè)量、軍事應(yīng)用等領(lǐng)域的極大應(yīng)用前景，一經(jīng)出現(xiàn)便受到了廣泛重視，基于光子晶體光纖的超寬譜光源得到了迅猛發(fā)展。但作為新生事物，仍有許多理論和技術(shù)問(wèn)題尚待解決。一方面，光子晶體光纖特殊的

2、波導(dǎo)特性使得其中的脈沖傳輸和超寬譜產(chǎn)生過(guò)程非常復(fù)雜，其理論模型和數(shù)值模擬方法仍有待改進(jìn)，超寬譜產(chǎn)生機(jī)制需要明確;另一方面，目前超寬譜光源的輸出功率普遍較小，轉(zhuǎn)換效率很少被關(guān)注。當(dāng)然，還有其他許多需要研究的問(wèn)題。本論文主要針對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題從理論和實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行研究，目的在于明確光子晶體光纖中的脈沖傳輸和超寬譜產(chǎn)生特性，研究制定提高輸出功率和轉(zhuǎn)換效率的總體技術(shù)方案。主要包含以下具體內(nèi)容:
　　首先，改進(jìn)了描述光子晶體光纖中脈沖傳輸和超寬譜產(chǎn)

3、生的廣義非線性薛定諤方程形式，使之更加直觀地反映光子晶體光纖中的各種傳輸效應(yīng)，同時(shí)也方便數(shù)值計(jì)算的實(shí)施。另外，對(duì)數(shù)值方法進(jìn)行了改進(jìn)，并分析了與算法有關(guān)的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。在利用分步傅立葉方法數(shù)值求解時(shí)，對(duì)非線性項(xiàng)直接采用積分處理，而不采取任何數(shù)學(xué)近似。數(shù)值計(jì)算時(shí)將其視為卷積，通過(guò)方便的傅立葉變換將卷積變?yōu)楦盗⑷~變換的乘積，再做逆變換得到，巧妙而又精確的解決了非線性項(xiàng)的計(jì)算。整個(gè)過(guò)程沒(méi)有任何人為的近似，從而保證了計(jì)算模型的精確度。對(duì)因步長(zhǎng)選擇

4、引起的計(jì)算精度進(jìn)行了分析，提出了根據(jù)頻域窗口選擇時(shí)間步長(zhǎng)，根據(jù)時(shí)域窗口判斷時(shí)間窗口合理性、選擇采樣點(diǎn)數(shù)的方法，再根據(jù)頻譜圖上偽四波混頻等邊帶調(diào)制確定空間步長(zhǎng)選擇合理性。最后，針對(duì)非線性項(xiàng)的處理，對(duì)比分析了差分方法和龍格—庫(kù)塔方法的計(jì)算精度，表明龍格—庫(kù)塔法在這里處理非線性項(xiàng)有較好的計(jì)算精度。這些結(jié)論為分步傅立葉方法求解廣義非線性薛定諤方程等數(shù)值求解過(guò)程中的窗口選擇、步長(zhǎng)選擇、計(jì)算精度等問(wèn)題提供了直觀參考標(biāo)準(zhǔn)，也為精確描述光子晶體光纖中的

5、脈沖傳輸和超寬譜產(chǎn)生問(wèn)題提供了很好的理論指導(dǎo)。
　　利用改進(jìn)后的模型及算法詳細(xì)分析了脈沖在光子晶體光纖中傳輸過(guò)程中的色散和非線性效應(yīng)。以影響超寬譜光源系統(tǒng)性能的光子晶體光纖各參數(shù)和泵浦源各參數(shù)為變量，從理論和實(shí)驗(yàn)上分別研究它們對(duì)超寬譜光源輸出特性的影響。通過(guò)這一研究，進(jìn)一步明確了不同情況下超寬譜的產(chǎn)生理論和影響因素，并分反常色散區(qū)和正常色散區(qū)泵浦兩種情況分別設(shè)計(jì)了超寬譜光源優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。
　　將超寬譜光源的效率區(qū)分為某波段轉(zhuǎn)

6、換效率和全系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率。理論研究表明，某波段轉(zhuǎn)換效率可以通過(guò)光子晶體光纖與泵浦源參數(shù)優(yōu)化提升;全系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率與泵浦光對(duì)光子晶體光纖的耦合效率和泵浦光吸收轉(zhuǎn)化為超連續(xù)譜的程度有關(guān)。前者通過(guò)設(shè)計(jì)高效的耦合系統(tǒng)解決，后者則通過(guò)選擇最優(yōu)化的光子晶體光纖長(zhǎng)度達(dá)到。
　　在理論研究基礎(chǔ)上，分別采用普通固體激光器和光纖激光器做泵浦源對(duì)不同類型的光子晶體光纖進(jìn)行超寬譜產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)研究。分別獲得了較好的預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了理論模型和算法的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步