光子晶体光纤及BK9玻璃超连续谱的研究

论文摘要

光子晶体光纤（PCF）普遍具备无截止单模、超大单模模场直径、可调谐色散、高的非线性系数等优点。光子晶体光纤具有特殊的结构，可以根据不同的需要来改变光子晶体光纤的内部结构使之具有不同的特性。目前，使用光子晶体光纤为核心器件较为成熟的产品主要有超连续谱光源、光纤放大器、光子晶体光纤激光器、高能量激光传输、光子晶体光纤光栅在传感技术上的应用、光信号处理等。其中，超连续谱的应用前景十分可观，其中微结构光纤产生超连续谱白光光源作为一种新型光源，在光通讯、光学相干断层扫描（OCT）、气象科学、宽光谱探测、超短脉冲压缩、定时、频率钟、等方面具有广泛应用。因此，对飞秒脉冲作用光子晶体光纤产生超连续谱的研究具有很高的科研价值。本文主要研究内容如下：（1）从麦克斯韦方程组推导出了超短脉冲在PCF中的传输的理论模型-非线性薛定谔方程以及适用于高阶非线性效应的广义非线性薛定谔方程，结合耦合脉冲的几种形式和非线性薛定谔方程的归一化形式，利用分步傅里叶法对非线性薛定谔方程进行了数值求解，介绍了超短脉冲在光子晶体光纤传输过程中出现的各种高阶非线性效应。（2）在理论分析的基础之上，采用快速分步傅里叶法在MATLAB环境下分别对时域和谱域进行了仿真模拟。在飞秒脉冲作用光子晶体光纤实验研究中，设计了光路系统并搭建了实验平台，将飞秒脉冲耦合进光纤和K9玻璃并得到了超连续谱。（3）分析了飞秒秒冲作用光子晶体光纤的反常色散区，初始脉冲脉冲的分裂及展宽效应，主要针对高阶孤子脉冲压缩、非孤子辐射蓝移、高阶孤子红移分裂、自相位调制响应等效应对实验结果进行了分析。（4）介绍了频率分辨光学开关法的测量原理和脉冲信息的反演算法，利用互相关频率分辨光学开关法（XFROG）对K9玻璃中产生的超连续谱进行了时域特性测量，并进行了不同条件下和频光谱的实验结果分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 光子晶体光纤的发展
• 1.2.1 光子晶体
• 1.2.2 光子晶体光纤
• 1.2.3 光子晶体光纤的应用
• 1.3 超连续谱及其应用
• 1.3.1 超连续谱的发展
• 1.3.2 超连续白光及其应用
• 1.4 课题研究内容
• 第2章 光子晶体光纤中产生超连续谱的机制
• 2.1 引言
• 2.2 麦克斯韦方程组
• 2.3 超短脉冲在 PCF 中的传输理论
• 2.3.1 非线性薛定谔方程
• 2.3.2 广义非线性薛定谔方程
• 2.3.3 非线性薛定谔方程的归一形式
• 2.4 数值方法
• 2.5 超短脉冲分类
• 2.6 光纤中产生超连续谱的物理机制
• 2.6.1 自相位调制
• 2.6.2 交叉相位调制（XPM ）
• 2.6.3 四波混频
• 2.6.4 受激拉曼散射
• 2.6.5 受激布里渊散射
• 2.7 本章小结
• 第3章 光子晶体光纤产生超连续谱的实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验装置
• 3.2.1 光子晶体光纤
• 3.2.2 光子晶体光纤数值孔径的计算
• 3.2.3 系统组成
• 3.3 飞秒脉冲的耦合
• 3.4 数值模拟
• 3.5 实验结果及其分析
• 3.6 实验数据及分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 超连续谱的时域特性测量
• 4.1 引言
• 4.2 FROG 法测量原理
• 4.2.1 实验装置原理
• 4.2.2 FROG 算法分析
• 4.3 实验装置
• 4.4 数据采集
• 4.5 实验结果
• 4.5.1 待测光光谱及分析
• 4.5.2 和频光光谱及其分析
• 4.6 飞秒脉冲作用 K9 玻璃产生超连续的研究
• 4.6.1 泵浦能量对脉冲分裂变化过程的影响
• 4.6.2 脉冲分裂不对称性的分析
• 4.6.3 产生超连续谱的机制
• 4.7 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢