硫系基质光子晶体光纤产生超连续谱的数值模拟研究

摘要

超连续谱是指将窄脉冲激光输入到非线性光纤中，利用光纤的色散与非线性效应获得的光谱展宽现象。和普通光谱相比，超连续谱除了具有范围宽的特点外，还具备可与激光相媲美的亮度高、相干性好等优点。超连续谱的光谱范围能够覆盖可见及中远红外波段，可用于有毒气体和爆炸物的探测、医疗诊断以及军事上的红外对抗等领域。由于现在没有任何一种激光器可以同时输出中红外到远红外的激光，所以，发展中远红外超连续谱具有重要的现实意义。
　　要产生高质量的超连续谱，必须满足两个条件，一是光纤色散要与泵浦波长匹配，二是光纤要具备高的非线性。以硫系玻璃为基质的光子晶体光纤拥有许多传统光纤所不具备的优异特性，如：在中红外区域透过率高且透过范围宽，比石英玻璃高达2~3个数量级的非线性系数，无截止单模传输，色散可控和有效模场面积可调等。其中，色散可控和高非线性对超连续谱的产生有非常大的优势，色散可控就是可以灵活调控色散零点和色散平坦度；而高非线性是影响超连续谱产生的另外一个重要因素，研究发现硫系玻璃拥有很高的非线性系数，可达到石英材料的100~1000倍，因此采用硫系基质的光子晶体光纤在中红外波段产生备受关注的超连续谱是一项极具研究潜力的项目。本文主要开展硫系玻璃光子晶体光纤中超连续光谱的产生及特性研究。论文包括以下几部分内容：
　　论文的第一章，主要介绍了超连续谱的产生过程，以及采用硫系玻璃材料产生超连续谱的优势，光子晶体光纤的分类、特性，以及硫系基质光子晶体光纤中超连续谱的研究进展，最后简单叙述了本论文主要的研究内容以及相应的技术难点。
　　第二章由麦克斯韦方程组入手，获得了光子晶体光纤中脉冲传输的基本理论模型，即广义非线性薛定谔方程，然后对此方程的解析方法，即分步傅里叶法进行了简单分析。
　　第三章是实验部分，讲述了硫系玻璃的制备工艺及块状玻璃相关参数的测试情况，包括硬度测试、红外透过光谱测试以及差热分析测试。
　　第四章研究硫系光子晶体光纤中的色散调控，是本文的重点部分，也是产生超连续谱的基础。该章利用多极法对硫系光子晶体光纤的色散特性进行分析，分别探讨了色散曲线随空气孔间距和空气占空比的变化而变化的规律，并对损耗及模场面积进行了相应的分析。最后通过优化光纤结构，获得了内两层气孔半径为0.7μm，外两层气孔半径为0.8μm，孔间距为4μm的光纤结构。最终的模拟输出结果表明，所设计光纤在3~5μm波长范围内都能够满足色散平坦的要求，并且色散绝对值不大于3.8 ps/nm/km，有利于超连续谱的产生。
　　第五章利用 MATLAB软件编程，对第四章所设计的硫系基质光子晶体光纤产生超连续谱的现象进行模拟。模拟结果显示，当泵浦功率一定时，超连续谱的展宽通常是随着光纤长度的增加而增加。当光纤长度一定，频谱的展宽随着泵浦功率的增加也在不断增加，但是当泵浦功率达到165 W后，虽然功率增加，不过频谱继续展宽的范围却变得很小了。当泵浦功率和光纤长度一定时，泵浦波长由正常色散区经历零色散波长，最后到达反常色散区。在该过程中，频谱随着泵浦波长向长波长方向的移动而不断展宽，但是平坦度却在降低。结合上述情况，最终得到，当光纤长度为15 cm，泵浦功率为165 W，泵浦波长为3.3μm时，得到的超宽超连续谱的范围为1.9~9.3μm。
　　第六章为结论，对本项工作中得出的研究成果进行了详细总结。

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引言

1 绪论

1.1超连续谱简介

1.2硫系玻璃简介

1.3光子晶体光纤简介

1.4硫系光子晶体光纤中超连续谱的研究进展

1.5研究内容和技术难点

2光子晶体光纤中超连续谱产生的理论模型

2.1麦克斯韦方程组

2.2光子晶体光纤中光脉冲传输的理论模型

2.3本章小结

3硫系玻璃的制备及样品测试

3.1硫系玻璃制备

3.2硫系玻璃样品测试

3.3本章小结

4用于产生超连续谱的硫系光子晶体光纤色散性能研究

4.1 Ge23Sb12S65硫系光子晶体光纤的中红外色散特性研究

4.2 Ge23Sb12S65硫系光子晶体光纤的的结构优化

4.3本章小结

5 Ge23Sb12S65硫系光子晶体光纤中超连续谱的产生

5.1光纤长度对超连续谱的影响

5.2泵浦功率对超连续谱的影响

5.3泵浦波长对超连续谱的影响

5.4本章小结

6 结论

参考文献

在学研究成果

致谢