發(fā)布時間：2018-06-03 03:35

  本文選題：超連續(xù)譜 + 光纖放大器�。� 參考：《國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：超連續(xù)譜光源的寬光譜、高亮度的優(yōu)異特性使得其在光譜學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、高光譜成像以及光電對抗等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。在光纖放大器中直接產(chǎn)生超連續(xù)譜是實現(xiàn)高功率超連續(xù)譜光源的有效途徑,該方法將激光增益放大過程與非線性效應(yīng)結(jié)合在一起,使得系統(tǒng)簡單緊湊,但同時也使得其中的物理過程十分復(fù)雜。本文對基于光纖放大器的超連續(xù)譜光源開展了理論與實驗研究,進(jìn)行了超連續(xù)譜光源的非相干合束技術(shù)研究,提出了超連續(xù)譜光源的光束質(zhì)量評價方法。主要內(nèi)容包括:結(jié)合動態(tài)速率方程組與廣義非線性薛定諤方程,建立了光纖放大器中超連續(xù)譜產(chǎn)生的理論模型,實現(xiàn)了對脈沖序列在增益光纖中的功率放大、非線性光譜及時域演化等動態(tài)過程的數(shù)值模擬,可以表征光纖放大器中超連續(xù)譜產(chǎn)生的物理過程。以摻鐿光纖放大器為例,理論與實驗研究了光纖長度與信號脈沖寬度對放大器中超連續(xù)譜產(chǎn)生的影響,獲得了拓展光譜范圍、提高輸出功率的條件。結(jié)果表明增益光纖越長,拉曼效應(yīng)閾值越低,孤子自頻移作用距離越長,超連續(xù)譜的光譜越寬,同時輸出功率越低;在增益光纖之后熔接一段被動光纖有助于光譜的拓展與平坦化。但是過長的光纖將會使過多功率轉(zhuǎn)移到2μm以上,引入較大損耗,降低輸出功率,因此需要優(yōu)化增益光纖與被動光纖長度,以保證超連續(xù)譜光譜寬度與輸出功率。信號光為超短脈沖(飛秒至皮秒量級)時,在光譜展寬的初始階段主要受到自相位調(diào)制的作用,因此最終光譜展寬很小;而當(dāng)脈沖寬度大于10 ps時,信號光譜將在受激拉曼散射效應(yīng)的作用下拓展至反常色散區(qū),從而使光譜極大展寬,最終形成超連續(xù)譜,且脈寬越寬,光譜展寬越寬。基于保偏光纖放大器實現(xiàn)了百瓦級線偏振超連續(xù)譜光源。研究了保偏光纖熔接對軸方式對超連續(xù)譜偏振特性的影響,在大模面積保偏光纖放大器中實現(xiàn)了最高功率124.8 W的超連續(xù)譜光源輸出,這是文獻(xiàn)報道的保偏光纖放大器輸出超連續(xù)譜光源的最高功率,光譜覆蓋1060 nm-1800 nm,全光譜偏振消光比為84.85%。設(shè)計與制作了光纖寬譜功率合束器,通過理論研究獲得了寬譜范圍內(nèi)具有高傳輸效率的合束器制作原則:入射光纖束的包層均拉錐至被輸出光纖纖芯包圍,同時拉錐過渡區(qū)足夠長(通常大于1 cm)。使用制作的光纖寬譜功率合束器開展了超連續(xù)譜非相干合束的原理性實驗,證實了超連續(xù)譜光源非相干合束的可行性;其次實現(xiàn)了功率300 W光譜范圍1060 nm-1600 nm的超連續(xù)譜光源非相干合束輸出。設(shè)計制作了輸出光纖纖芯100μm的寬譜合束器,最終實驗獲得了1064 nm處M2因子~9的輸出功率200 W的超連續(xù)譜非相干合束光源,光譜范圍覆蓋1060nm-1900 nm,超連續(xù)譜功率傳輸效率達(dá)96.6%。引入功率譜重心的概念,提出了三種超連續(xù)譜光源光束質(zhì)量的評價因子。對窄帶激光的空間傳輸模型進(jìn)行拓展,推導(dǎo)了超連續(xù)譜光源的空間傳輸模型,驗證了提出的超連續(xù)譜光束質(zhì)量評價方法的合理性。對實驗中獲得的不同功率與光譜分布的超連續(xù)譜光源的光束質(zhì)量進(jìn)行了評價與比較,結(jié)果表明提出的三種評價因子均可以綜合體現(xiàn)傳輸模式以及功率譜分布對光束質(zhì)量的影響,適合對超連續(xù)譜光源的整體光束質(zhì)量進(jìn)行評價與比較,對高光束質(zhì)量超連續(xù)譜光源的獲得及其實際應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。
[Abstract]:The wide spectrum and high luminance of the supercontinuous spectral light have an important application prospect in the fields of spectroscopy, biomedicine, hyperspectral imaging and optoelectronic countermeasures. It is an effective way to produce supercontinuous spectra directly in optical fiber amplifier. The combination of linear effect makes the system simple and compact, but also makes the physical process very complicated. In this paper, the theoretical and Experimental Research on the supercontinuous spectral light source based on optical fiber amplifier is carried out in theory and experiment. The non coherent beam technology of the supercontinuous spectral light source is studied and the method of evaluating the beam quality of the supercontinuous spectral light source is proposed. The main contents include: combining the dynamic rate equation group and the generalized nonlinear Schrodinger equation, the theoretical model of the supercontinuum generation in the optical fiber amplifier is established, and the numerical simulation of the power amplification, nonlinear spectrum and the time domain evolution of the pulse sequence in the gain fiber can be realized, and the supercontinuum in the optical fiber amplifier can be characterized. Taking the ytterbium doped fiber amplifier as an example, the effect of the length of the fiber and the pulse width on the supercontinuum generation in the amplifier is studied theoretically and experimentally. The conditions of expanding the spectrum range and increasing the output power are obtained. The results show that the longer the gain fiber is, the lower the threshold value of the Raman effect, the self frequency shift distance of the soliton. The longer the spectrum of the supercontinuum is wider and the output power is lower, the fusion of a passive optical fiber after the gain fiber will help to expand and flatten the spectrum. However, the excessive fiber will transfer the excess power to more than 2 m, which will lead to large loss and reduce the output power. Therefore, the length of the gain fiber and the passive fiber will be optimized, so the length of the gain fiber and the passive fiber will be optimized. The spectrum width and output power are guaranteed. When the signal is ultrashort pulse (femtosecond to picosecond), the initial phase of the spectrum broadening is mainly modulated by self phase modulation, so the final spectrum broadening is very small, and when the pulse width is more than 10 PS, the signal spectrum will be expanded to abnormal under the effect of stimulated Raman scattering. The dispersion region, which makes the spectrum broadened greatly, eventually forms the supercontinuum spectrum, and the wider the pulse width, the wider the spectrum broadening. Based on the polarization maintaining fiber amplifier, the 100 watts line polarization supercontinuous spectral light source is realized. The effect of the axis mode on the polarization characteristics of the supercontinuum is studied. The high power 124.8 W supercontinuous spectral light source output is the highest power of the output supercontinuous spectral light source of the biased fiber amplifier reported in the literature. The spectrum covers 1060 nm-1800 nm and the optical spectrum polarization extinction ratio is designed and made the optical fiber wide spectrum power beam splitter. The high transmission efficiency in the wide spectrum range is obtained through the theoretical study. The principle of beam closing is that the cladding cones of the incident fiber bundle are encircled to the output fiber core, and the transition region of the taper is long enough (usually more than 1 cm). The non coherent beam output of a supercontinuous spectral light source with a power 300 W spectrum range of 1060 nm-1600 nm is presented. A wide spectrum beam splitter is designed and produced for the output fiber core of 100 u m. The final experiment obtains a supercontinuous spectral non coherent beam source with the output power of 200 W of M2 factor ~9 at 1064 nm, and the spectral range covers 1060nm-1900 nm, and the supercontinuous spectrum power transmission. The transmission efficiency reaches the concept of 96.6%. introducing the center of gravity of the power spectrum. Three kinds of evaluation factors of the beam quality of the supercontinuous spectral light source are put forward. The space transmission model of the narrow band laser is expanded and the space transmission model of the supercontinuous spectral light source is deduced. The rationality of the proposed super continuous spectral beam quality evaluation method is verified. The beam quality of the supercontinuous spectral light source with the same power and the spectral distribution is evaluated and compared. The results show that the three evaluation factors can comprehensively reflect the effect of the transmission mode and the power spectrum distribution on the beam quality. It is suitable for the evaluation and comparison of the overall beam quality of the supercontinuous spectral light source, and the high beam quality superconnection. The continuous spectrum source and its practical application are instructive.
【學(xué)位授予單位】：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN722

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本文編號：1971315