光子晶体光纤激光器和超连续光源的研究

论文摘要

光子晶体光纤起源于光子带隙思想,却又随着不断发展而高于带隙理论。时至今日,它正以极快的速度影响现代科学的多个领域。在基于PCF的众多新型光纤器件之中,稀土掺杂光纤激光器件和超连续光源是比较具有代表性的两种。本文从实验和理论两个角度研究了光子晶体光纤在以上两方面的应用:首先总结了光子晶体光纤激光器件和超连续光源的研究现状;然后利用有限单元方法分析了大模面积光纤中的双折射特性;理论和实验研究了稀土掺杂光子晶体光纤激光器和放大器;利用分步傅里叶方法数值求解非线性薛定谔方程,分析了宽脉冲泵浦在非线性光子晶体光纤中传输时的光谱展宽过程;利用准连续/连续光源作为泵浦,实验研究光子晶体光纤中的光谱展宽现象并分析了连续谱的频域和时域特性。主要内容概括如下:1.详细讨论了有限单元方法的基本思想和求解过程,利用该方法分析了大模面积光纤中的双折射特性,提出两种结构致双折射大模面积PCF的设计:（1）通过在纤芯中引入两个小于包层空气孔尺度的小孔以破坏光纤截面几何形状的对称性,在有效模场面积大于100μm2的光子晶体光纤中获得10-4的双折射度;（2）在光子晶体光纤的包层中引入两个大尺度空气孔的同时,在光纤纤芯中引入椭圆形的小空气孔以降低光纤的多重轴对称性。通过这种具有复合不对称结构的双折射晶体光纤设计,可以使光纤在具有较大模场面积的情况下获得10-4量级的双折射。2.理论分析了高折射率Bragg光纤的模式特性和色散特性,并讨论了其在掺稀土光纤激光器件方面的应用。对拉制出的掺Er3+Bragg光纤进行了放大特性的测试,测量了前、后向泵浦方式下放大器的小信号增益和噪声系数。使用环行器和光栅构成的环行腔结构,得到了1553.7nm的单波长激光输出。由于这种掺Er3+的Bragg光纤之前未见报道,所以无论在工艺上还是在特性上,都有大量研究工作尚待继续进行。3.对掺Yb3+双包层光子晶体光纤激光器进行了实验研究。采用前向端面泵浦方式,选用二向色镜和增益光纤端面构成F-P腔的结构构建了线性腔掺Yb3+光子晶体光纤激光器。激光最大输出功率11.69W,斜率效率87%。在此基础上,利用GaAs晶体作为饱和吸收体,进行了被动调Q包层泵浦PCFL的研究,获得了脉冲宽度小于90ns、最大平均功率为5.86W的激光输出。4.利用有限单元方法,研究了光子晶体光纤非线性特性的基本理论。系统地分析了光子晶体光纤有效模场面积、光纤非线性系数和其结构参量的关系,并讨论了非线性系数随波长的变化。研究表明,利用石英/空气大的折射率差,可以设计具有小模场面积的光纤来提高非线性系数。但是,当纤芯直径过小时,能量已经不能够很好地被限制在纤芯中,形成泄漏。在此基础上,研究了掺锗纤芯PCF增强的非线性特性,计算了掺杂浓度和掺杂区域半径对光子晶体光纤非线性系数、模场分布和色散等性质的影响。这对于制造具有高非线性系数的PCF具有指导意义。5.利分步傅里叶方法求解非线性薛定谔方程,对低峰值功率、宽脉冲在光子晶体光纤中的传输特性进行了数值模拟和比较,分析了脉冲传输和演化的非线性机理和超连续谱展宽特性。通过改变光纤参数和初始入射条件,发现在低峰值功率、宽脉冲条件下引起光谱展宽的主要因素是调制不稳定性。在光纤反常色散区,噪声可以作为调制不稳作用的探测波加速入射脉冲的破裂,使之形成无序的超短脉冲,进而在光纤中继续传输实现光谱的展宽。此外,还分析了脉冲功率、光纤非线性系数、脉冲宽度等因素对连续谱的影响。6.以脉冲宽度80ps的激光输出作为泵浦,通过两极放大器引入自发辐射噪声,在70m高非线性PCF中获得了通信波段的超连续谱。在实验中,观察到了调制不稳定现象的出现,与第四章的理论分析很好地吻合。此外,还将光纤拉曼激光器输出的连续光耦合入70m高非线性光子晶体光纤,在入纤功率为4.14W时得到了1450-1650nm的光谱展宽,输出平均功率为2W。7.使用脉宽为0.62ns的调Q固体激光器和20m光子晶体光纤,获得了600-1750nm的超宽带连续谱,分析了光谱展宽的机制并测量了连续谱的频域和时域特性。利用上述宽带光源,测量了全固光子晶体光纤的带隙,并利用高双折射环境滤波的方式获得了S+C+L波段的多波长信号源。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 第一节 光子晶体光纤的发展
• 1.1.1 光子晶体光纤的基本概念和分类
• 1.1.2 光子晶体光纤的制备
• 第二节 光子晶体光纤的特性
• 第三节 光子晶体光纤在新型光纤器件方面的应用
• 1.3.1 稀土掺杂光子晶体光纤激光器
• 1.3.2 光子晶体光纤超连续光源
• 1.3.3 其他
• 第四节 选题意义、研究内容和创新点
• 第二章 数值分析方法和大模面积双折射光子晶体光纤设计
• 第一节 光子晶体光纤的数值分析方法
• 2.1.1 光子晶体光纤数值分析方法概述
• 2.1.2 全矢量有限单元分析方法
• 2.1.2.1 电磁场边值问题的描述
• 2.1.2.2 有限单元方法的数学基础
• 2.1.2.3 有限单元离散
• 2.1.2.4 完美匹配层
• 第二节 大模面积双折射光子晶体光纤及研究意义
• 2.2.1 光子晶体光纤中双折射的产生机制
• 2.2.2 大模面积双折射光子晶体光纤的研究意义
• 第三节 中心具有小孔的大模面积双折射光子晶体光纤设计
• 2.3.1 光纤模型和结构参数
• 2.3.2 相双折射和群双折射特性
• 2.3.3 有效模场面积
• 2.3.4 其他问题和总结
• 第四节 具有复合结构的大模面积双折射光子晶体光纤设计
• 2.4.1 光纤模型和结构参数
• 2.4.2 相双折射和群双折射特性
• 2.4.3 其他问题和总结
• 本章小结
• 第三章 稀土掺杂光子晶体光纤激光器的理论与实验研究
• 第一节 高折射率纤芯Bragg 光纤传输特性研究
• 3.1.1 高折射率芯Bragg 光纤及其传导模式
• 3.1.2 光纤参量对传导模式的影响
• 3.1.3 光纤参量对Bragg 光纤色散的影响
• 3.1.4 高折射率纤芯Bragg 光纤在激光器和放大器领域的应用讨论
• 第二节 高折射率纤芯掺铒Bragg 光纤激光放大特性的实验研究
• 3.2.1 高折射率纤芯掺铒Bragg 光纤
• 3.2.2 基于高折射率纤芯掺铒Bragg 光纤的放大器
• 3.2.3 性能分析及改进办法
• 3.2.4 总结和讨论
• 第三节 高功率掺Y63+双包层光子晶体光纤激光器的实验研究
• 3.3.1 实验装置和测量设备
• 3.3.2 耦合系统效率测试
• 3.3.3 实验结果和分析
• 3.3.4 与普通掺Y63+双包层光纤激光器的比较
• 第四节 被动调Q 掺 Y63+双包层晶体光纤激光器的实验研究
• 3.4.1 GaAs 晶体调Q 原理
• 3.4.2 实验装置
• 3.4.3 实验结果和分析
• 本章小结
• 第四章 光子晶体光纤中宽脉冲传输特性的理论研究
• 第一节 光子晶体光纤非线性特性研究
• 4.1.1 光纤中非线性现象的产生
• 4.1.2 纯硅PCF 非线性特性研究
• 4.1.3 纤芯掺锗PCF 非线性特性研究
• 第二节 脉冲在光子晶体光纤中的传输方程和分步傅里叶方法
• 4.2.1 麦克斯韦方程组
• 4.2.2 非线性薛定谔方程
• 4.2.3 分步傅里叶方法
• 第三节 低峰值功率、宽脉冲在光子晶体光纤中的传输和光谱展宽
• 4.3.1 调制不稳定性的线性分析
• 4.3.2 低峰值功率、宽脉冲在光子晶体光纤中的传输
• 本章小结
• 第五章 宽脉冲泵浦光子晶体光纤产生超连续谱的实验研究
• 第一节 低峰值功率皮秒脉冲在光子晶体光纤中传输的实验研究
• 5.1.1 实验装置
• 5.1.2 实验结果和讨论
• 5.1.3 结论
• 第二节 基于纳秒脉冲PCF 超连续光源的实验研究
• 5.2.1 实验装置
• 5.2.2 实验结果和讨论
• 5.2.3 超宽带连续光源的应用
• 第三节 连续光泵浦PCF 产生超连续谱的实验研究
• 5.3.1 实验装置
• 5.3.2 实验结果和讨论
• 5.3.3 结论
• 本章小结
• 总结与展望
• 致谢
• 参考文献