基于光子晶体光纤的超短脉冲展宽器设计

摘要

高能激光器在国民经济、国防建设和科学研究等众多领域有着非常重大的应用,因此各种类型的高能激光器不断涌现。常用高能激光器设计技术主要有啁啾脉冲放大技术(CPA)和光参量啁啾脉冲放大技术(OPCPA)。在这两种技术中,对光脉冲进行展宽和压缩技术最为关键。本文理论分析了基于光子晶体光纤的超短脉冲展宽器设计。由于光子晶体光纤结构可以灵活设计,通过改变空气孔半径、间距、介质材料和空气孔排列方式等可以获得不同的色散值、非线性系数、双折射和有效模场面积等,为许多光功能器件提供了新的设计途径。
　　 本文首先简单介绍了光子晶体光纤和脉冲展宽器的国内外研究现状,以及光子晶体光纤一些突出特性,如无限单模传输、色散可调节、高双折射和有效模场面积可调等性质。重点分析了矢量有效折射率分析模型,通过该理论模型分析了光子晶体光纤包层有效折射率的计算方法。通过计算推导出光子晶体光纤包层空间填充模的特征值方程,可以由二阶、三阶色散计算公式对应的色散值。由包层空间填充模特征值方程计算出包层的有效折射率,然后通过采用与折射率阶跃光纤一样的数值孔径法求出光子晶体光纤的非线性系数,并且分析了光子晶体光纤非线性系数与空气孔半径和间距的变化关系。
　　 本文以超短脉冲展宽器为设计目标,采用光子晶体光纤作为设计方案,可以对超短脉冲的10000倍以上展宽。通过对一般展宽器设计要求的分析,可以知道作为展宽器设计的光子晶体光纤在800nm波长处的二阶色散值要高而且平坦。经过理论计算后表明在光子晶体光纤空气孔半径等于0.265μm和空气孔间距等于1.27μm时,在800nm波长处存在平坦的二阶色散值。该光子晶体光纤的二阶色散约等于35.72 ps2／km,三阶色散约等于0.0002 ps3／km以及非线性系数约等于36.4W-1·km-1,色散平坦宽度约为300nm。通过理论计算和分析得出结论:采用1000m长优化设计的光子晶体光纤可以实现对超短光脉冲进行展宽,展宽因子可以达到10000倍以上。由于光子晶体光纤的各种优越特性,该展宽器设计方案将有一定的参考意义和现实意义。