基于怪波实现光脉冲放大的方法研究

Rogue wave is now the important and advanced research topic in nonlinear system and many theory and experiment achievements have been done on rogue wave generation and its mechanism in different fields. Recently its related theory has been investigated deeply in fiber system. It has been generated in experiment but is paid little attention to the application of rogue wave in optics. Therefore it tries to research the application of rouge wave in optics with a new point of view in the project, combing three complementary methods that analytical (Darboux transform) ,quasi-analytical (soliton perturbation theory) and simulation(fast split-step Fourier algorithm,Runge-kutta algorithm) to research the optical pulse amplification based on rogue wave. The main contents include:（1）The theory analysis of optical amplification based on rogue wave; (2) The directly amplification of ultrashort pulse; (3)The realization of long-haul transmission of optical soliton pulse (pulse trains) by periodically plane wave pumping. The comprehensive results can provide important reference value in realization of optical pulse amplification in experiment and have good expansion and promoting effects for optical amplification in other fields.

怪波是目前非线性系统内重要、前沿的研究课题，在各个领域内对怪波的产生及形成机制等问题得到了大量的理论及实验成果。近年来其相关理论在光纤系统中展开了深入的研究，从实验上产生了怪波，但是对产生的高振幅怪波在光纤中的应用研究略显不足。本项目试图从一个新的角度来研究怪波的应用，结合解析（Darboux变换）、准解析（孤子微扰理论）以及数值（快速分步傅里叶变换、龙格-库塔等）等三种互补方法来研究基于怪波实现光脉冲的放大。具体研究内容包括：（1）基于怪波的光学放大的理论分析；（2）实现超短脉冲的直接放大；（3）通过平面波周期泵浦，实现光孤子脉冲（串）的长距离传输。这些综合结果能够对实验上实现光脉冲放大提供重要的参考价值，对其它领域的光放大有着很好的拓展和促进作用。

怪波的概念首先来源于海洋学，其巨大的振幅对海洋上行驶的船只具有摧毁性的破坏作用，但其时间、空间的局域化以及高振幅的结构特性在其它非线性研究领域内有着潜在的应用，尤其在光学方面。本项目以怪波的产生机制，即调制不稳定性原理为理论基础，以非线性薛定谔方程为模型，实现对光脉冲放大的方法研究。基于非线性薛定谔方程的Peregrine怪波解，讨论了有理分式的脉冲动力学，它们展现出类呼吸子的传输特性。基于此特性并利用谱过滤方法，提出了一种光脉冲放大的新方法，实现了光脉冲（串）的直接放大。研究结果表明，在光纤中适当的位置放置连续波泵浦激光器和谱过滤器起着光放大器的作用。这一思路被应用到孤子的长距离传输，以4级放大为例，实现了光孤子脉冲串的周期放大，以实现其长距离传输。此研究结果为光脉冲信号的全光放大在实际中的应用提供了一定的理论指导意义。同时，我们的研究方法也被应用于非均匀光纤中Peregrine怪波梳的产生以及特殊光束传输动力学特性的研究。. 本项目共发表论文8篇，其中4篇被SCI收录。申请专利一项。