基于ZBLAN光纤产生中红外超连续谱的研究

摘要

超连续谱因具有较宽的频谱范围和较强的空间相干性,被广泛应用于国防、医学及科研等相关领域,尤其是中红外超连续谱,因其所处波段覆盖了大量分子吸收谱,可应用于环境监测、气体分子检测等领域,更是吸引了广大科研工作者的注意。因此,进一步扩展中红外超连续谱的光谱范围、提高其平坦度是当前的主要研究重点,而目前产生中红外超连续谱的方法普遍是基于软玻璃光纤的非线性效应,其中有大量关于ZBLAN光纤产生中红外超连续谱的研究报道,但对光纤参数和泵浦源参数进行系统优化以获得光谱较宽、平坦度较好的超连续谱的相关研究还未见报道,所以对ZBLAN光纤产生超连续谱进行优化设计显得尤为重要。本文主要从以下三个方面对ZBLAN光纤产生超连续谱进行理论和实验研究:
　　(1)建立基于超连续谱的广义非线性薛定谔方程,采用 matlab软件基于分步傅立叶算法对其进行数值模拟,由于非线性薛定谔方程为偏微分方程,因此利用四阶-五阶龙格库塔算法进行求解,从而建立超连续谱的理论模型;并对光纤中引起脉冲在时域和频域演化的各项线性和非线性光学效应进行了讨论和分析。
　　(2)基于建立的理论模型,对正常和反常色散区产生超连续谱进行了数值模拟。结合不同色散区产生超连续谱的物理机制,讨论了光纤长度、峰值功率和初始脉宽对输出脉冲的影响,得到优化参数范围为光纤长度1~1.9 m和2.9~3.4 m,峰值功率660~1000 kW和50~80 kW,初始脉宽50~1000 fs和750~1000 fs,其光谱带宽分别为1.727μm和3.249μm。通过对比其光谱展宽情况,发现在有效控制初始脉宽的前提下,反常色散区泵浦更利于产生超宽带、超平坦的超连续谱。
　　(3)基于中红外超连续谱在反常色散区普遍采用2μm超短脉冲泵浦这一现状,采用非线性光纤环形镜的“8”字型结构,搭建了2μm掺Tm3+被动锁模脉冲光纤激光器实验系统。实验中测试发现,在整个反常色散区,产生了稳定的孤子锁模脉冲和类噪声脉冲。对于孤子锁模脉冲,其中心波长为2017.33 nm,脉宽为2.8 ps,能量为83.8 nJ;对于类噪声脉冲,其中心波长为2017.24 nm,脉宽为341 fs,单脉冲能量达到了249 nJ,这是目前已报道的在未经放大情况下脉冲能量最高的2μm锁模脉冲。由于本文中所得到的类噪声脉冲信噪比较高(60 dB),脉冲能量很高,因此非常适合作为泵浦源用于产生中红外超连续谱。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 中红外超连续谱的应用及发展

1.3 本论文的主要研究内容及框架

第二章 超连续谱的理论基础研究

2.1 光纤中脉冲传输的理论模型

2.2 产生超连续谱的相关光学效应

2.3本章小结

第三章 泵浦ZBLAN光纤产生超连续谱的数值模拟

3.1 ZBLAN光纤基本概念

3.2 正常色散区产生超连续谱的数值优化与结果分析

3.3 反常色散区产生超连续谱的数值优化与结果分析

3.4 正常和反常色散区产生超连续谱的模拟结果对比分析

3.5 本章小结

第四章 2微米被动锁模脉冲光源的实验研究

4.1 介绍

4.2 基于NOLM实现被动锁模的基本原理

4.3 Tm3+的能级结构和光谱特性

4.4 全光纤掺Tm3+环形激光器的实验研究

4.5 基于NOLM的全光纤掺Tm3+锁模脉冲激光器研究

4.6本章小结

第五章 结论

5.1 本文的贡献

5.2 下一步工作的展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果