基于全正色散掺镱多孤子脉冲光纤激光输出特性研究

摘要

光纤激光器是激光器领域的重要研究方向之一，由于其具有增益特性好、转换效率高、阈值低、结构简单、稳定性高、造价相对较低以及应用前景广阔等特点，成为近十年来的热点研究课题。多孤子脉冲激光不仅可以用于时分复用系统、光梳等领域，还涉及测距、激光通信、光纤传感等领域，同时也为脉冲光纤激光器的非线性和提高激光器脉冲输出能量等关键技术研究提供依据。本文基于全正色散掺镱环形腔光纤激光器，实验研究了全正色散掺镱光纤激光器中的多孤子脉冲现象及脉冲输出特性，为进一步理解和研究光纤激光器中的多孤子脉冲现象产生的物理机理和特性提供了实验依据。主要内容如下：
　　（1）采用级联长周期光纤光栅作为光谱滤波器，发现和研究了含有自由空间元件的全正色散掺镱光纤激光器中的多孤子现象。实验发现在腔长为240m和掺杂光纤为0.18m的全正色散掺镱光纤激光器中可能得到多种模式的多孤子脉冲输出：(a)时间间隔固定的稳定双孤子脉冲，脉冲的间隔分别为21.1ns、33.6ns或67.2ns；(b)时间间隔相等的多孤子脉冲，间隔固定为33.6ns，脉冲的数量分别为3、4、5、6，最多可以达到7个；(c)同时还发现时间间隔固定的多孤子脉冲，间隔固定为21.1ns和12.5ns，孤子数量最多可以达到6个。在调节偏振片产生多孤子脉冲的过程中，还发现了位置和间隔均不固定的多脉冲，脉冲之间的间隔与33.6ns相关，以及等间隔4孤子脉冲（间隔33.6ns）的二次谐波和等间隔3孤子脉冲（间隔33.6ns）的三次谐波等现象。具体分析了孤子脉冲之间的时间间隔并讨论了多孤子脉冲产生的物理机制。
　　（2）对上述全正色散掺镱光纤激光器中的多孤子现象进行了详细的实验研究。通过改变腔长、替换和去除光纤光栅滤波器、替换偏振片，实验研究了激光器参数对多孤子脉冲输出间隔的影响。实验发现：(a)保持长周期光纤光栅滤波器（中心波长为1034nm，3dB带宽为7nm）及系统所有元件不变，仅仅改变腔长，当腔长随机变为132m和350m时，均发现了双孤子脉冲现象，时间间隔为21.1ns或33.6ns；在腔长为132m时还发现了间隔为67.2ns、100.8ns或134.4ns的双孤子脉冲（33.6ns的整数倍）；(b)改变长周期光纤光栅滤波器（中心波长为1036nm，3dB带宽为8nm），腔长240m,系统其它元件保持不变，同样发现了双孤子脉冲，间隔为21.1ns或33.6ns；进一步，将激光腔内的长周期光纤光栅滤波器去除，腔长240m,通过调节偏振片，也得到了双孤子脉冲，间隔同样为21.1ns或33.6ns；(c)保持腔长240m,长周期光纤光栅滤波器（中心波长为1036nm，3dB带宽为8nm），仅仅将三个偏振元件（1/2波片、1/4波片、1/4波片）替换为全光纤偏振控制器，调节偏振控制器的工作状态，也得到了双孤子脉冲，间隔分别为21.1ns或33.6ns。
　　（3）保持环形腔结构不变，采用全光纤元件，进行了全光纤掺镱激光器多孤子现象的进一步对比实验研究。(a)在腔长为240米的全光纤掺镱激光器中，保留级联长周期光纤光栅作为光谱滤波器，与（1）相比，保持泵浦功率不变，调节偏振控制器的工作状态，发现了与包含自由空间元件的掺镱光纤激光器（1）中基本相似的实验现象，即时间间隔固定的稳定双孤子脉冲，时间间隔为21.1ns、33.6ns或67.2ns；等间隔的33.6ns的多孤子脉冲，脉冲数量为3或4；时间间隔固定的多孤子脉冲，脉冲数量为10，间隔固定为21.1ns、12.5ns和8.6ns。(b)为进一步研究系统中关键元件对脉冲孤子脉冲输出特性的影响，采用与(a)中不同的全新的光纤器件和参数搭建了一套全光纤掺镱光纤激光器系统。在此全光纤系统中，腔长变为91.5m，掺杂光纤的长度为0.98m，并取消了光纤光栅滤波器，调节偏振控制器，得到了稳定的双孤子脉冲输出，时间间隔为21.1ns或33.6ns。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 锁模脉冲分类

1.3 多脉冲的研究进展

1.4 本文的主要研究内容

第二章 光纤激光器的传输方程

2.1 非线性薛定谔方程（NLS）

2.2 耦合非线性薛定谔方程

2.3 多孤子脉冲的形成机制

2.4 本章小结

第三章 含自由空间元件的全正色散多孤子光纤激光器

3.1 引言

3.2 基于级联长周期光纤光栅的全正色散光纤激光器

3.3 改变激光腔的参数

3.4 本章小结

第四章 全正色散全光纤多孤子激光器

4.1 实验装置

4.2 实验结果与讨论

4.3 改变激光器的参数

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

攻读学位期间公开发表的论文

致谢