拉曼光纤激光器输出功率特性研究

摘要

拉曼光纤激光器作为一种基于受激拉曼散射效应的激光器，具有结构简洁，输出光束质量好，波长转换能力强和常温下性能稳定的特点，是DWDM系统理想的信号源和泵浦源而得到了重视。为了实现不同类型拉曼光纤激光器的优化设计，必须对其理论模型即相应的光功率耦合方程组进行快速求解。 本文首先简述了拉曼散射的基本原理以及受激拉曼散射的增益特性，并对拉曼光纤激光器的基本结构和现今比较流行的几种拉曼光纤激光器的应用作了介绍。其次，通过对级联拉曼光纤激光器的理论模型进行仔细分析，得出了数值求解拉曼光功率耦合方程组的问题可以转化为复杂函数的寻优问题这一结论。根据方程组建立的适应度函数的具体情况，针对两大类优化算法：微粒群算法和量子遗传算法做出了相应的改进。改进的微粒群算法吸收遗传算法的优点，利用算术杂交和均匀性变异算子来提高粒子的多样性，加快了优化算法的收敛速度并避免陷入局部最优；改进的量子遗传算法综合了前人的思想并根据量子门的特性采用遗传算法的交叉策略对编码进行替换，同样增强了函数的寻优能力。测试结果表明，改进算法可以用于多维复杂函数的优化。本文也给出了优化算法的其它应用：对模场半径和拉曼增益谱进行数值拟合。 最后，在分析了光功率耦合方程组的特性和各种改进优化算法的基础上，使用改进的优化算法并配合快速Runge—Kutta算法求解光功率耦合方程组，并针对普通的Newton—Raphson打靶算法容易“脱靶”和计算时间过长的问题，在功率变化的敏感点位利用优化算法对初值进行筛选。利用该算法对影响二阶掺磷拉曼光纤激光器输出功率的关键参数进行了数值分析和讨论，其结果表明，算法提高了打靶算法稳定性的同时缩短了计算时间，是一种有效的数值求解方法。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究背景

1.2光纤激光器的发展历史和研究现状

1.2.1光纤激光器的分类

1.2.2拉曼光纤激光器

1.3本文的主要工作

第2章拉曼散射原理及应用

2.1自发拉曼散射

2.2受激拉曼散射

2.3光纤中的受激拉曼散射

2.3.1拉曼增益系数

2.3.2数值拟合拉曼增益谱

2.3.3光纤中受激拉曼散射的阈值

2.4基于受激拉曼散射效应的应用

2.4.1拉曼光纤放大器

2.4.2拉曼光纤激光器

第3章数值求解拉曼光纤激光器的优化算法

3.1微粒群算法

3.1.1基本微粒群算法

3.1.2改进的微粒群算法

3.2量子遗传算法

3.2.1改进的量子遗传算法

3.2.2量子遗传算法流程

3.3改进算法性能分析及测试

3.3.1微粒群改进算法性能分析

3.3.2量子遗传算法性能分析

3.3.3算法测试及优化结果

3.4数值拟合模场半径

3.5小结

第4章拉曼光纤激光器输出功率特性

4.1级联拉曼光纤激光器耦合方程

4.2光功率耦合方程组的数值求解

4.2.1求解微分方程组的快速Runge-Kutta算法

4.2.2优化算法适应度函数的建立

4.2.3 Newton-Raphson并行打靶算法

4.3二阶掺磷拉曼光纤激光器数值模拟与讨论

4.4小结

结 论

致 谢

参考文献

攻读学位期间发表的论文