基于四波混频的多波长掺铒光纤激光器的理论模型

论文摘要

由于多波长掺铒光纤激光器在密集波分复用、器件测试、光学传感等方面有广阔的应用前景,近年来受到广泛重视。然而由于掺铒光纤均匀展宽导致激烈的模式竞争,获得多波长输出非常困难。抑制模式竞争的方法很多,其中基于四波混频的多波长产生机制具有明显的优点,是近年来的研究热点。但目前研究主要集中在实验方面,尚未有对此类激光器进行理论研究的报道。为弥补这一空白,本文提出了一种模拟该类激光器的理论模型。首先建立了铒离子的三能级模型,并在一维近似条件下推导了传播方程。由于4I13/2能级上粒子寿命远远长于4I11/2,本文中将三能级系统简化为二能级系统。随后将模型推广到多波长多泵浦的情况。然后在慢变幅度近似条件下推导了多四波混频过程的耦合波方程组。由于耦合波方程是一刚性方程组,本文用功率归一化减弱了方程组的刚性度,并采用预估-矫正法对方程进行数值求解,其中用四阶Adams-Bashforth显式积分方法进行预估,用三阶Adams-Moulton隐式积分方法进行矫正。在此基础上模拟了四波混频的动态过程以及材料色散、波导色散和泵浦功率对四波混频的影响。最后通过将四波混频作为传播方程的动态边界条件得到了基于四波混频的多波长掺铒光纤激光器的模型。利用该模型,本文中验证了四波混频抑制模式竞争的作用,并研究了掺铒光纤净截面曲线平坦度和四波混频效率对输出光谱功率平坦性的影响。模拟中得到了19个功率差在3dB内的波长输出。在模拟结果的基础上从数学和物理层面探讨了抑制模式竞争的本质和可能的新的抑制模式竞争的方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的与意义
• 1.2 多波长掺铒光纤激光器的研究现状
• 1.2.1 基于受激布里渊散射的多波长产生机制
• 1.2.2 基于频移反馈技术的多波长产生机制
• 1.2.3 基于非线性光纤环镜和非线性偏振旋转的多波长产生机制
• 1.2.4 基于烧孔效应的多波长产生机制
• 1.2.5 基于四波混频的多波长产生机制
• 1.3 多波长光纤激光器需要解决的问题
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 掺铒光纤的稳态均匀展宽模型
• 2.1 引言
• 2.2 铒离子的物理性质
• 2.2.1 铒离子的光谱特性
• 2.2.2 铒离子之间的相互作用
• 2.3 掺铒光纤的三能级模型
• 2.3.1 掺铒光纤的三能级模型推导
• 2.3.2 掺铒光纤的有效截面
• 2.3.3 三能级模型的简化
• 2.3.4 自发辐射放大
• 2.4 本章小结
• 第3章 光纤中的四波混频效应
• 3.1 引言
• 3.2 光纤中的四波混频效应
• 3.3 数值积分算法
• 3.4 影响四波混频效率的因素
• 3.4.1 四波混频的动态过程
• 3.4.2 材料色散和波导色散对四波混频的影响
• 3.4.3 泵浦功率对四波混频的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 多波长掺铒光纤激光器的理论模型
• 4.1 引言
• 4.2 基于四波混频的多波长掺铒光纤激光器的物理模型
• 4.3 基于四波混频的多波长掺铒光纤激光器的运转
• 4.4 输出光谱平坦性的优化
• 4.4.1 掺铒光纤净截面曲线对输出光谱平坦性的影响
• 4.4.2 四波混频对输出光谱平坦性的影响
• 4.5 多波长产生机制的探讨
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢