本文選題：光纖光學 + 部分相干光��； 參考：《清華大學》2016年博士論文

【摘要】：隨著光纖放大系統(tǒng)的發(fā)展,光脈沖輸出功率和能量的不斷提高,高功率光纖放大器在工業(yè)加工、醫(yī)療以及深空激光通信等領域的應用不斷加深。部分相干光具有激光等相干光所不具備的優(yōu)勢,如無散斑成像,光譜勻滑穩(wěn)定等。部分相干光在低相干度干涉測量、光學相干斷層掃描(OCT)、光纖陀螺、慣性約束核聚變驅動源等方面有重要的應用。部分相干光在光纖放大系統(tǒng)中也會出現各種非線性效應,如自聚焦、自相位調制(SPM)、受激拉曼散射(SRS)、受激布里淵散射(SBS)等,它們往往成為光波輸出性能提升的限制因素。目前,部分相干光在光纖中的非線性效應還缺乏深入探究,本論文從以下幾個方面對部分相干光在光纖中的非線性效應進行了研究。首先是部分相干光在大模場光纖中的自聚焦閾值理論研究�；赪igner變換下的非線性薛定諤方程,實現了對部分相干光在大模場光纖中的自聚焦閾值數值求解。模擬發(fā)現,自聚焦閾值主要依賴于光纖中光波的光束質量因子M2以及光譜帶寬。論文給出了對部分相干光和相干光均適用的自聚焦閾值公式。該公式表明,光波相干性的下降有助于自聚焦閾值的提升。然后論文唯象地提出了部分相干光在光纖中的自相位調制光譜展寬模型。該模型引入了色散對光波平均調制深度的影響,并給出了顯式表達的光譜展寬公式。該模型與直接數值求解非線性薛定諤方程有定量相符的結果。此外,在搭建的窄譜和寬譜實驗平臺上該模型也得到了較好的驗證。接下來論文采用Wigner變換法解含有拉曼效應的非線性薛定諤方程組,實現了對部分相干光在光纖中的SRS演化求解。計算結果表明部分相干光的SRS閾值與相干光相同。實驗上,分別搭建了寬帶和窄帶部分相干光系統(tǒng),并在無源纖中進行了SRS閾值實驗研究,實驗結果與理論預測定量相符。論文還提出了利用SRS效應消除脈沖尖峰的方法,以及利用雙向拉曼散射進行脈沖整形的可能性。最后,論文對部分相干光在光纖中的SBS經典閾值公式進行了修正。提出了截止帶寬概念,即當入射光波帶寬大于該截止帶寬值時,SBS會在自相位調制光譜展寬以及SRS效應的共同作用下受到完全抑制。該現象得到了實驗的驗證。論文結尾對部分相干光在光纖中的非線性效應進行了總結和展望。
[Abstract]:With the development of optical fiber amplifier system, the output power and energy of optical pulse are increasing, and the application of high power fiber amplifier in the fields of industrial processing, medical treatment and deep space laser communication has been deepened. Partial coherent light has some advantages such as speckle free imaging, spectral smoothing stability and so on. Partially coherent light has important applications in low coherence interferometry, optical coherence tomography (Oct), fiber optic gyroscope (fog), inertial confinement fusion drive source and so on. There are also various nonlinear effects of partially coherent light in optical fiber amplifiers, such as self-focusing, self-phase modulation (SPM), stimulated Raman scattering (SRS) and stimulated Brillouin scattering (SBS), which are often the limiting factors for improving the output performance of optical waves. At present, the nonlinear effect of partially coherent light in optical fiber is not studied deeply. In this paper, the nonlinear effect of partially coherent light in fiber is studied from the following aspects. Firstly, the self-focusing threshold theory of partially coherent light in large-mode fiber is studied. Based on the nonlinear Schrodinger equation under Wigner transform, the self-focusing threshold of partially coherent light in large-mode optical fiber is solved numerically. It is found that the self-focusing threshold is mainly dependent on the beam quality factor M2 and the spectral bandwidth of the optical wave in the fiber. In this paper, the self-focusing threshold formula for both partially coherent light and coherent light is given. The formula shows that the decrease of optical coherence is helpful to raise the self-focusing threshold. Then the self-phase modulation spectral broadening model of partially coherent light in optical fiber is presented phenomenologically. In this model, the influence of dispersion on the average modulation depth of light wave is introduced, and the explicit spectral broadening formula is given. The results of this model are in good agreement with the direct numerical solution of nonlinear Schrodinger equation. In addition, the model is well verified on the platform of narrow spectrum and wide spectrum. Then the Wigner transform method is used to solve the nonlinear Schrodinger equations with Raman effect, and the SRS evolution of partially coherent light in optical fiber is solved. The results show that the SRS threshold of partially coherent light is the same as that of coherent light. In the experiment, broadband and narrowband partially coherent optical systems are built, and the SRS threshold in passive fiber is studied. The experimental results are in good agreement with the theoretical prediction. The method of eliminating pulse spike by using SRS effect and the possibility of pulse shaping using bidirectional Raman scattering are also proposed. Finally, the classical SBS threshold formula of partially coherent light in optical fiber is modified. In this paper, the concept of cut-off bandwidth is proposed, that is, when the bandwidth of incident light is larger than the cut-off bandwidth, it will be completely suppressed by the self-phase modulation spectrum broadening and the SRS effect. This phenomenon is verified by experiments. At the end of the paper, the nonlinear effect of partially coherent light in optical fiber is summarized and prospected.
【學位授予單位】：清華大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN248;TN722

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本文編號：1917938