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被动锁模光纤激光器孤子特性调控的研究

【摘要】:超短脉冲激光在光纤通信、生物诊断、工业加工等领域有着广泛的应用。被动锁模光纤激光器是产生超短脉冲的一种有效方法,并由于其结构简单紧凑、稳定性高和成本低等优点,受到人们的广泛关注和研究。本论文从实验和理论上对被动锁模光纤激光器中孤子脉冲特性的调控进行了研究。着重对传统孤子边带的特性和调控、孤子特性随着色散管理的变化、孤子锁模波长和脉冲宽度的调控等做了深入的研究,并建立了相关的物理模型,分析了其各自的腔内动力学过程。论文的主要研究成果如下:1.在基于非线性偏振旋转(NPR)技术的被动锁模光纤激光器中,通过调节偏振控制器(PC)实现了传统Kelly峰边带、峰-谷边带以及谷边带三种不同类型的孤子光谱边带。峰-谷边带和谷边带与传统的Kelly边带具有不同的特性。峰-谷边带和谷边带的形成是由于孤子在腔内的二倍周期歧化造成的。通过在谐振腔内加入不同色散的啁啾光纤光栅(CFBG)实现了对传统孤子光谱边带的有效调控,得到了单边带的孤子锁模脉冲。实验和理论模拟表明,单边带孤子锁模的形成是由于锁模中心波长靠近CFBG反射带宽边缘,使得光谱不同侧面受到不同滤波效应造成的。2.通过色散管理技术,在被动锁模光纤激光器中分别实现了传统孤子、色散管理孤子以及耗散孤子的输出。分别研究了各种孤子光谱和脉冲特性随着泵浦功率的演化规律,并分析了孤子脉冲分裂的动态过程。通过建立被动锁模光纤器模型,完成了各种孤子从形成到分裂演化过程的模拟。最后,设计了一种新型腔型,实现了传统孤子与耗散孤子,以及展宽孤子与耗散孤子等不同类型孤子脉冲在一个光纤激光器内的同时输出。3.利用掺铒光纤增益光谱随泵浦功率变化的特性,实现了锁模波长在1531 nm和1557 nm随泵浦功率的转换。并通过建立增益滤波模型,理论研究了可转换波长锁模光纤激光器运转的腔内动力学过程。在碳纳米管锁模光纤激光器中引入NPR技术,通过调节PC,实现了 1566nm至1593 nm大范围可调谐耗散孤子锁模脉冲输出。分析了 NPR技术的滤波特性,并理论模拟了波长调谐的动态过程。基于碳纳米管和CFBG设计了一种新型稳定的多波长超短脉冲激光输出系统。该系统可在1539.5 nm,1549.5 nm和1559.5 nm三个波长同时实现超短脉冲稳定输出,通过拉伸CFBG,各个波长亦可在很大范围内连续调谐。4.基于CFBG和光纤反射镜等设计了一种可以在不同波长同时产生皮秒孤子和飞秒孤子脉冲的碳纳米管锁模光纤激光器。皮秒孤子和飞秒孤子脉冲在腔内具有两种不同的传播路线,其中心波长分别为1539.5 nm和1561 nm,3-dB光谱带宽分别为0.33 nm和6.2 nm,相应脉冲宽度分别为10.6 ps和466 fs。两种孤子脉冲在腔内互不干扰,可以长时间稳定运行。数值模拟很好地重复了实验观测的结果,并揭示了皮秒和飞秒脉冲在腔内不同的演化过程。

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