锁模掺铒光纤激光器的理论与实验研究

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锁模光纤激光器因其体积小、成本低、稳定性强、输出光束质量好、可调谐性强等优点得到得到广泛应用。耗散光孤子是在非线性光学系统中形成的一种局域化结构,它的形成必须同时满足非线性与色散(或衍射)的平衡以及增益与损耗的平衡。锁模光纤激光器可灵活设计的结构为观察和深入研究耗散孤子形成和演化的动力学过程提供了条件,同时通过对耗散孤子特性的设计,也为进一步提高锁模光纤激光器的性能提供了可能。因此研究锁模光纤激光器中的耗散孤子动力学特性具有重要的理论意义和应用价值。  本论文是在国家自然科学基金面上项目“基于光子晶体光纤的克尔腔孤子的动力学特性与应用研究”(项目编号:11174155)和国家科技部973计划项目“基于微结构光纤的新型功能器件、异质兼容结构与光电子集成“(项目编号:2010CB327605)等项目支持下开展的,论文首先对锁模光纤激光器的分类以及国内外研究进展进行了综述,接着对锁模掺铒光纤激光器中耗散孤子的演化进行了理论和实验研究。主要的研究工作包括:  1.基于非线性薛定谔方程对非线性偏振旋转锁模掺铒光纤激光器和可饱和吸收体锁模掺铒光纤激光器进行了理论分析和设计。针对非线性偏振旋转和半导体可饱和吸收体两种锁模机制建立了理论分析模型,采用分步傅里叶法对其进行数值模拟,研究了色散、小信号增益和介质的增益带宽对孤子演变过程的影响,得到了稳定的孤子解,并发现适当增加腔内正色散值和介质的增益带宽有助于提高脉冲能量。  2.利用归一化的金兹堡朗道方程对基于锁模光纤激光器的非保守系统中丰富的耗散孤子动力学过程进行了数值模拟,观察到了基阶耗散孤子、孤子分子、孤子脉动、孤子爆炸和耗散孤子谐振等动力学现象。结合实验建立非线性偏振旋转锁模光纤激光器的理论模型,并通过数值分析得到了基阶耗散孤子的收敛解。  3.搭建了基于非线性偏振旋转锁模的掺铒光纤激光器,分别在反常色散区和正常色散区实现了锁模,并研究了色散补偿光纤对锁模的影响,在实验过程中,观察到了孤子束缚态、孤子脉动、孤子群和孤子雨等耗散孤子动力学现象。  
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