自组织反馈光纤激光器频率非线性动力学特性及产生机理研究

We have observed a new type of complex frequency dynamical phenomenon during studying the mode-hopping phenomenon of the self-organized feedback fiber lasers (SFFL) including a saturable absorber. According to the basic principle of the nonlinear laser dynamics, this project will theoretically analyze the frequency-dynamical properties of the SFFL, which characterized by the multi-mode, multi-media and class B laser dynamical systems, to obtain the origin of the nonlinearity in systems and to explore the rule of system evolution. After developing the frequency discrimination method by unbalance interferometers, and utilizing the tool of chaotic time series analysis, this project will also study various structures of the SFFLs, including specifying control parameters, searching out coupling mechanism of the nonlinear dynamics physically, and establishing a group of physical models derived from practical experiments. The systematical analysis to these models will be carried out to determine the frequency stability area in the paramedic space. Finally, the structure of the SFFL will be improved based on the model results, and influences of control parameters on system performances will be examined experimentally. Not only the systematic investigation on the frequency nonlinear dynamics of SFFLs will solve the frequency stability problem, but also lay a foundation to the further study on some deep physical problem, such as the chaos and multi-stability of fiber lasers.

在饱和吸收自组织反馈光纤激光器(SFFLs)模式跳跃研究过程中，实验测得激光器具有比较复杂的频率非线性动态现象。本项目利用非线性动力学基本原理，对具有多模态、多介质、B类非线性动力系统特征的SFFLs的频率动态特性进行理论研究，获得系统非线性产生机理和演化规律。基于非平衡干涉仪鉴频方法，利用混沌时间序列分析技术，研究不同结构的SFFLs的饱和吸收自组织反馈过程和频率动态特性，明确影响激光器频率非线性动力系统的控制参量，探明描述SFFLs频率非线性动力学过程的物理耦合机制，建立具有实验可操作性的物理模型。通过对模型输出结果的系统分析，获得激光器频率稳定的参数范围。以此为依据，实验研究各参数对SFFLs频率稳定的影响。该项目对SFFLs的频率非线性动力学特性深入研究，不仅可解决激光器的频率稳定性问题，同时也为激光器的混沌和多稳态等深层次物理问题的进一步研究和开拓应用奠定基础。

针对光纤环形激光器在工程应用中出现的复杂多模动态现象，进行一种新型自组织反馈光纤环形激光器（SFFRL）非稳定性的研究，以期在充分了解系统非稳定特性的基础上，寻求稳定的有效方法。项目对自组织反馈光纤环形激光器的研究，涉及到非线性动力学和混沌等复杂的物理过程，这为包含自组织反馈机制的复杂系统协同学研究提供理想的量化物理模型和实证途径。.激光频域动力学问题是光学复杂系统研究领域的一大难题。SFFRL是典型的大自由度光学复杂系统，具有复杂跳模、高维混沌等非线性模式动态行为。现有的理论模型及测量手段大多只关注密集模式群落的整体行为，而忽视了模式个体行为；这一降维处理方式丢失了大量的频域模式动态信息，导致跳模抑制、高维频域混沌产生及控制等频域非线性动力学问题无法得到有效处理。通过改进多通道实时频域观测手段，突破传统激光动力学测量技术的频域限制，将人们对SFFRL非线性动力学特性的认识从低维拓展至高维，揭示了模式个体行为与集群行为之间的复杂关联及内在物理机制。.项目的主要成果如下：.1）提出一种饱和吸收自组织光纤光栅特性参数的实验测试方法，为包含自组织反馈机制的协同体系模型建立提供坚实物理基础和准确参数，为自组织反馈环形光纤激光器的设计优化和性能提高提供实验基础。.2）建立了以模式激发强度为序参数的自组织反馈光纤环形激光器的协同系统模型，根据自组织反馈光纤环形激光器的实际物理结构，建立了包含正反自组织反馈作用的光纤环形激光器理论模型和激光方程，为自组织反馈激光器和与此对应的具有自组织反馈机制的复杂系统的协同维持和协同破坏定量研究提供了理论基础。基于SFFRL 系统增益介质中铒离子的饱和吸收作用，建立了描述多纵模SFFRL的动力学模型，并针对纵模之间的非线性耦合机制在模型中引入交叉耦合项，数值研究中综合考虑纵模之间的交叉耦合作用、各向异性参数，使建立的多模激光器模型具备产生高维混沌的条件。.3）基于光学外差和时频分析方法测量了自由运转SFFRL的多模非线性动力学特性参数及其演化规律，发现了一类大自由度非线性动态系统所特有的动态现象。测量结果表明，局域模式产生了总光强所无法呈现的频域动态行为，包括模式自脉冲、模式反相动态、混沌多模振荡、随机多模振荡等。当总光强表现为典型的低维混沌时，频域内存在的大量纵模表现出极为复杂的高维动态特性。