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)極大豐富和擴展了人們對于光纖波導(dǎo)的認識，優(yōu)于常規(guī)光纖的顯著特點使其在光傳輸、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最激動人心的應(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)生過程非常復(fù)雜，其理論模型和數(shù)值模擬方法仍有待改進，超寬譜產(chǎn)生機制需要明確;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。當然，還有其他許多需要研究的問題。本論文主要針對這兩個問題從理論和實驗上進行研究，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)，同時也方便數(shù)值計算的實施。另外，對數(shù)值方法進行了改進，并分析了與算法有關(guān)的幾個關(guān)鍵問題。在利用分步傅立葉方法數(shù)值求解時，對非線性項直接采用積分處理，而不采取任何數(shù)學(xué)近似。數(shù)值計算時將其視為卷積，通過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的計算。整個過程沒有任何人為的近似，從而保證了計算模型的精確度。對因步長選擇

4、引起的計算精度進行了分析，提出了根據(jù)頻域窗口選擇時間步長，根據(jù)時域窗口判斷時間窗口合理性、選擇采樣點數(shù)的方法，再根據(jù)頻譜圖上偽四波混頻等邊帶調(diào)制確定空間步長選擇合理性。最后，針對非線性項的處理，對比分析了差分方法和龍格—庫塔方法的計算精度，表明龍格—庫塔法在這里處理非線性項有較好的計算精度。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)值求解過程中的窗口選擇、步長選擇、計算精度等問題提供了直觀參考標準，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)生問題提供了很好的理論指導(dǎo)。
　　利用改進后的模型及算法詳細分析了脈沖在光子晶體光纖中傳輸過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，從理論和實驗上分別研究它們對超寬譜光源輸出特性的影響。通過這一研究，進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)計了超寬譜光源優(yōu)化設(shè)計方案。
　　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)。前者通過設(shè)計高效的耦合系統(tǒng)解決，后者則通過選擇最優(yōu)化的光子晶體光纖長度達到。
　　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不同類型的光子晶體光纖進行超寬譜產(chǎn)生實驗研究。分別獲得了較好的預(yù)期實驗結(jié)果，驗證了理論模型和算法的準確性，進一步