飞秒脉冲在高非线性光纤中产生超连续谱的特性研究

采用分步傅里叶方法,对飞秒脉冲在高非线性光纤中超连续谱的形成过程进行了研究,分析了脉冲峰值功率,脉冲宽度及初始频率啁啾对超连续谱特性的影响.结果表明,脉冲峰值功率、脉冲宽度以及初始啁啾对超连续谱的形成有着极其重要的影响;当脉冲峰值功率逐渐增大,超连续谱随之愈宽(-20dB处谱宽从170nm展宽到400nm以上),平坦度愈好.与之相反,脉冲宽度逐渐增大,超连续谱展宽范围减小,其平坦度也逐渐劣化;初始负啁啾有利于脉冲SC谱的展宽而正啁啾使脉冲SC谱的展宽受到一定抑制.进一步研究表明,适当的峰值功率超短啁啾脉冲在高非线性光纤传输时,得到没有泵浦成份残余的超宽且平坦超连续谱.     

光子晶体光纤的中红外超连续谱的产生与控制

设计了一种低损耗高非线性的碲化物PCF（光子晶体光纤）.采用分布傅里叶算法求解非线性薛定谔方程,数值模拟了基于PCF的中红外波段SC （超连续谱）的产生与控制.分析了PCF参量及泵浦光源参数对SC的影响,得出SC宽度和平坦度随PCF长度、色散参量以及泵浦脉冲峰值功率、初始宽度的变化规律.仿真结果表明,中心波长为2μm、脉冲峰值功率为20kW、脉冲宽度为100fs的泵浦光在PCF中传输15cm 时,SC谱宽可达1330-3450nm,且具有良好的平坦度.     

反常色散区抽运光子晶体光纤产生的超连续谱

为了研究反常色散区抽运光子晶体光纤产生的超连续谱,采用分步傅里叶方法数值模拟了飞秒激光脉冲在光子晶体光纤反常色散区中的非线性传输和超连续谱产生.结果表明,初始激光脉冲的峰值功率和脉冲初始啁啾对光子晶体光纤反常色散区产生超连续谱形状和带宽是有影响的.这些结论给光子晶体光纤中产生超连续谱提供了参考.     

基于光子晶体光纤高质量超连续谱的优化设计

采用分布傅里叶方法模拟了光子晶体光纤超连续谱的产生,分析了超连续谱的产生机理与不同光子晶体光纤超连续谱的特点,分析结果表明,在正常色散区可以获得高质量超连续谱.优化光子晶体光纤结构,利用脉宽为100 fs、峰值功率为500 W的高斯脉冲通过10 m长的优化光子晶体光纤,在1 550 nm波段获得了宽度为210 nm、平坦度为3 dB的超连续谱.     

三零色散光子晶体光纤中超连续谱的产生与控制

提出了利用倍频效应得到双波长抽运三零色散光子晶体光纤(PCF),产生近红外、中红外波段超连续谱。设计三零色散光子晶体光纤结构,采用分步傅里叶算法数值求解非线性薛定谔方程,模拟双波长抽运三零色散光子晶体光纤产生超连续谱的演化过程,分析了不同光纤长度和脉冲峰值功率对产生的超连续谱的影响。结果表明:当抽运激光脉冲中心波长分别为1μm和2μm、脉宽为100 fs、重复频率为200 k Hz,传输距离为10 cm、脉冲峰值功率为10 k W时,得到了谱宽为690~3150 nm的超连续谱,包含了近红外、中红外波段,光谱具有较好的连续性和平坦度。     

两级光纤中的中红外超连续谱产生

利用数值方法求解了广义非线性薛定谔方程,分析了中红外超连续谱在两级光纤中的产生机制。模拟结果表明,自相位调制、受激拉曼散射和色散波放大使频谱在带两个零色散波长的高非线性SF57光子晶体光纤(PCF)中得到了极大的展宽。在较短的SF57-PCF中,获得了3 dB功率谱覆盖范围为1800~3500 nm的高带宽、平坦度好的中红外超连续谱。而且,超连续谱的长波长边沿随着抽运脉冲峰值功率的增大而进一步展宽。     

高相干度超连续谱的产生和脉冲压缩的研究

为了研究全波段正常色散光子晶体光纤中高相干度超连续谱的产生及其脉冲压缩,采用分步傅里叶法数值模拟了超短光脉冲在全波段正常色散光子晶体光纤中的非线性传输和超连续谱的产生;利用1阶相干因子分析了抽运波长和入射峰值功率对超连续谱相干特性的影响。结果表明,色散效应越弱,越有利于高相干度超连续谱的产生;在色散效应较小处抽运时,获得了带宽为587nm、平坦度小于7dB的高相干度的超连续谱;超连续谱的相干性越高,越有利于脉冲压缩,采用光栅对压缩器对高相干度超连续谱脉冲进行压缩,获得了8.4fs、压缩质量因子为88.88%的超短光脉冲。因此,抑止色散效应,利用自相位调制可获得高相干度的超连续谱及高质量的脉冲压缩。     

光子晶体光纤产生紫外超连续谱的数值研究

提出了一种基于高非线性氟化镁光子晶体光纤产生紫外超连续光源的方法。采用分步傅里叶法求解光纤的非线性薛定谔方程,基于光子晶体光纤数值模拟了扩展到紫外波段的超连续谱的产生;通过分析光纤结构参量与泵浦光源参数对紫外超连续谱产生的影响,得出了光纤长度、色散参量以及泵浦脉冲峰值功率、初始脉冲宽度对超连续谱光谱宽度的影响规律。研究发现:当光子晶体光纤长度为8 cm、脉冲中心波长为450 nm、峰值功率为3.1 kW、初始脉冲宽度为40 fs时,可获得展宽至紫外的超连续谱,范围为279.6～769.0 nm。     

色散平坦渐减光纤产生平坦超连续谱的数值研究

通过数值计算，对色散平坦渐减光纤(DFDF)产生平坦超连续谱(SC)进行了研究。结果表明，该光纤中抽运脉冲峰值功率对超连续谱的形成有着重要的影响，超连续谱的产生存在阈值功率，抽运脉冲峰值功率由阈值逐步增大，超连续谱随之愈宽，平坦度愈好，但增大到一定值时，超连续谱的平坦度会开始劣化，综合考虑各因素找到了产生平坦超连续谱的最佳功率；四阶和五阶群速度色散(GVD)是该种光纤产生平坦超连续谱的决定因素，三阶及五阶以上群速度色散的作用可以忽略；进一步研究发现，超连续谱频谱展宽的机理主要来自脉冲的自相位调制效应，自变陡、受激拉曼散射等高阶非线性效应对平坦超连续谱的产生没有显著影响，在计算的时候完全可以忽略。     

利用单模光纤中调制不稳定性产生超连续激光光谱的研究

根据皮秒光脉冲在光纤中传输时所满足的非线性薛定谔方程,利用数值模拟方法,研究了利用准连续波作为初始输入脉冲、利用单模光纤中的调制不稳定性和光子晶体光纤的高非线性效应产生超连续激光光谱（SC）的新方法。探讨了SC的形成机理,研究了不同条件下SC的形成过程,研究结果表明：准连续波光脉冲峰值功率越高、初始脉宽越宽,越有利于SC的产生;超连续谱向长波长方向的展宽要受到光子晶体光纤长度的影响,要想获得平坦的宽带SC,必须采用合适的光子晶体光纤长度。     

大模场光子晶体光纤中超连续谱的产生与控制

探索利用大模场光子晶体光纤产生大功率、高光束质量的超连续谱。采用分步傅里叶方法求解广义非线性薛定谔方程(GNLSE), 模拟了光脉冲在大模场光子晶体光纤中非线性传输和超连续谱的产生过程。着重分析了光子晶体光纤长度和抽运脉冲的峰值功率、啁啾等对超连续谱产生的影响, 讨论了大模场光子晶体光纤中光谱的非线性展宽机制。发现可将超连续谱产生过程分为初始展宽、剧烈展宽和饱和展宽三个阶段。合理选择光纤长度, 使产生的超连续谱处于剧烈展宽阶段时输出, 既能够得到较宽的光谱, 又能够保证较高的效率。抽运峰值功率对超连续谱的产生有重要影响, 当输入功率较小时, 脉冲的频谱成对称展宽, 仅有自相位调制(SPM)效应起作用, 其他高阶效应的影响都很弱。随着脉冲功率的增加, 频谱短波方向变化较小, 光谱向长波方向展宽。同时, 脉冲时域出现振荡调制, 振荡的起因与光波分裂现象有关。抽运光初始啁啾对超连续谱的产生也有重要影响。当啁啾为正时, 啁啾量的大小对产生超连续谱的影响较小, 蓝移方向基本没有影响, 而红移部分能量随着啁啾量的增大向长波方向转移, 超连续谱总的宽度变化较小; 当啁啾为负且满足一定条件时, 其中的非线性作用得到增强, 有利于光谱展宽。     

光子晶体光纤中频率啁啾对超连续谱的影响

基于光子晶体光纤(PCF)中脉冲演变遵循的非线性演化方程,用数值方法研究了反常色散情形下PCF中脉冲初始啁啾对超连续谱产生的影响,探讨了利用脉冲啁啾控制超连续谱产生的方法。结果表明：正、负啁啾均使谱展宽的速率变小,尤其是负啁啾情形,展宽速率更小,说明啁啾对谱展宽是不利的;在一定的初始条件下,光谱展宽存在一个最佳光纤长度,在这个长度处,光谱展宽最大,进一步增加光纤长度,谱宽基本保持不变;相对于变换极限脉冲来说,初始正、负啁啾脉冲对应的最佳光纤长度分别缩短和延长。     

基于锁模脉冲泵浦的全光纤化超连续谱光源

采用基于半导体可饱和吸收镜(SESAM)的被动锁模方案,通过三级主振荡功率放大(MOPA)结构,构建了平均输出功率39.2 W的全光纤皮秒脉冲光纤激光器。输出激光脉冲宽度10.7 ps,重复频率68 MHz。利用该皮秒光纤激光器泵浦一段4.5 m长的国产光子晶体光纤(PCF),实现了平均功率20.1 W的全光纤化结构超连续谱(SC)光纤激光输出。光谱宽度超出所用光谱仪600~1700 nm 的观测范围,在观测范围内具有10 dB 的光谱平坦度。     

基于光子晶体光纤的高斯脉冲光谱压缩数值研究

为了获得高质量的窄线宽光脉冲,采用单模光纤和光子晶体光纤相结合的光谱压缩技术,通过分步傅里叶变换方法求解非线性薛定谔方程,数值模拟了1550nm波段高斯脉冲光谱压缩过程。结果表明,当初始脉冲的脉宽、峰值功率及所采用光子晶体光纤的参量一定时,光谱压缩存在一最佳光子晶体光纤长度;且初始光脉冲的峰值功率越大,所采用光子晶体光纤的非线性系数越大,所需光子晶体光纤最佳长度越短,所得谱压缩比越大;利用最佳长度为4.152m的光子晶体光纤对峰值功率为110W、初始脉宽为0.65ps的高斯脉冲进行光谱压缩时,可得谱压缩比为3.47的最佳谱压缩光脉冲;脉冲形状对光谱压缩产生一定的影响,高斯脉冲较超高斯脉冲光谱压缩效果更好。该研究结果对研制窄线宽、超短脉冲光纤激光器具有指导意义。     

光子晶体光纤中飞秒激光脉冲传输的研究

为更精细地描绘飞秒光脉冲在光子晶体光纤中的传输和演化,在用分步傅里叶方法求解广义非线性薛定谔方程的基础上,详细考虑光纤参数随脉冲峰值频移的变化,模拟了飞秒光脉冲在光子晶体光纤中传输和演化的过程。研究发现,光纤色散和强非线性对飞秒脉冲在光子晶体光纤中传输、演化以及超连续谱的展宽有很大影响。     

高非线性光纤正常色散区皮秒脉冲泵浦产生的超连续谱平坦性

数值仿真研究了双曲正割、高斯(m=1)、超高斯脉冲(m=5)形皮秒脉冲泵浦在高非线性光纤正常色散区中时频域演化特性.计算结果表明,在峰值功率、泵浦光纤参数相同的条件下,泵浦脉冲前(后)沿陡峭程度影响频谱展宽宽度,脉冲前后沿越陡峭,生成的超连续谱带宽越宽;脉冲前(后)沿的拖尾部影响展宽频谱的平坦性,脉冲前后沿拖尾越小,生成的超连续谱频带平坦度越高.泵浦脉冲中是否含有啁啾对生成的超连续谱的带宽和平坦性影响微弱.脉冲前(后)沿拖尾小或者陡峭的脉冲在高非线性光纤正常色散区可以产生带宽平坦的超连续谱.