光子晶体光纤中色散波的产生及其影响因素研究

论文摘要

色散波产生是指光脉冲在非线性介质中传输时受到高阶色散和非线性效应的微扰而向外辐射能量的现象，它是超连续谱产生的主要物理机制之一，在很多领域都有重要应用。光子晶体光纤具有独特的光传输特性，它的出现为非线性光纤光学领域的研究注入了新的活力。光子晶体光纤中色散波的产生是一个基本的非线性光学问题，同时又是一个非常复杂的非线性过程，受多种因素的制约，已成为近几年来研究的热点。本文研究了光子晶体光纤中色散波的产生及其影响因素，取得了如下主要成果：第一，基于光子晶体光纤中光脉冲传输的非线性薛定谔方程，分析了光子晶体光纤中色散波的产生及其影响因素。光子晶体光纤中色散波的产生需要满足相位匹配条件，而且在色散波产生前，频谱还要有足够的宽度以更好地实现相位匹配。在控制色散波产生位置方面，三阶色散为正(负)的光子晶体光纤中产生的是蓝(红)移色散波；第二个零色散波长越长，产生的红移色散波的波长也越长；泵浦脉冲的峰值功率越大，产生的蓝移色散波的波长越短。在控制色散波产生的效率方面，泵浦脉冲的峰值功率越大，蓝移色散波产生的效率越高；初始频率正(负)啁啾提高(降低)了蓝移色散波的产生效率；泵浦脉冲的中心波长越长，红移色散波产生的效率越高。第二，完善了两级光纤中色散波产生的计算机程序，并用该程序研究了两级光纤中色散波的产生。在级联的普通单模光纤和高非线性SF57光子晶体光纤中得到了宽带平坦的中红外超连续谱。仿真结果表明，色散波放大是中红外超连续谱产生的主要物理机制，获得平坦性较好的超连续谱需要优化第二级光纤的长度，此外，生成的红移色散波会随着泵浦脉冲峰值功率的增大进一步向长波长方向展宽。第三，数值研究了具有三个零色散波长的光子晶体光纤中色散波孤子的产生。由于第三个零色散波长的存在，具有三个零色散波长的光子晶体光纤拥有两个反常色散区，且有很宽的相位匹配范围。模拟结果显示，不仅在两正常色散区得到了色散波，还在另一反常色散区得到了色散波孤子。该色散波孤子转移了大部分泵浦脉冲的能量，具有更高的频率转换效率，而且，在高频反常色散区进一步辐射出了蓝移色散波。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光子晶体光纤
• 1.2.1 光子晶体光纤的分类
• 1.2.2 折射率引导型光子晶体光纤的特性
• 1.3 研究背景及意义
• 1.3.1 色散波的国内外研究进展
• 1.3.2 色散波的应用
• 1.4 本文框架
• 第2章 光子晶体光纤中光脉冲传输的基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 光脉冲在光子晶体光纤中的传输方程
• 2.2.1 麦克斯韦方程组
• 2.2.2 广义非线性薛定谔方程
• 2.2.3 归一化非线性薛定谔方程
• 2.3 数值算法
• 2.3.1 分步傅里叶方法
• 2.3.2 精度分析
• 2.3.4 程序实例
• 2.4 小结
• 第3章 光子晶体光纤中色散波的调控
• 3.1 引言
• 3.2 光子晶体光纤中色散波产生的机理
• 3.2.1 色散波产生需满足的相位匹配条件
• 3.2.2 色散波产生前的光谱展宽
• 3.2.3 光子晶体光纤中的色散波产生
• 3.3 色散波产生位置的可调性
• 3.3.1 三阶色散对色散波位置的影响
• 3.3.2 第二个零色散波长对色散波位置的影响
• 3.3.3 泵浦脉冲的峰值功率对色散波位置的影响
• 3.4 色散波产生效率的可调性
• 3.4.1 泵浦脉冲的峰值功率对色散波产生效率的影响
• 3.4.2 初始啁啾对色散波产生效率的影响
• 3.4.3 不同泵浦波长对色散波产生效率的影响
• 3.5 小结
• 第4章 两级光纤中色散波的产生
• 4.1 引言
• 4.2 SF57 光子晶体光纤的色散特性
• 4.3 两级光纤中色散波产生的数值模拟
• 4.3.1 级联短 SF57 光子晶体光纤时的色散波放大
• 4.3.2 级联长 SF57 光子晶体光纤时的色散波放大
• 4.3.3 泵浦脉冲的峰值功率对两级光纤中色散波产生的影响
• 4.4 小结
• 第5章 光子晶体光纤中色散波孤子的产生
• 5.1 引言
• 5.2 具有三个零色散波长的光子晶体光纤的色散特性
• 5.3 色散波孤子产生的数值模拟
• 5.3.1 相位匹配情况
• 5.3.2 满足相位匹配条件的色散波孤子产生
• 5.3.3 色散波孤子相对蓝移和红移色散波的优势
• 5.4 小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录