光纤中脉冲串自相似传输机理及其啁啾补偿效应研究

Generation and transmission of ultra-short optical pulses chain with high power, strong linear chirp characteristic is one of the hotspots in fiber optics research field. But with the negative effect of Optical Wave Breaking and Four-Wave Mixing, the transmission of high power pulses is hard to realize. The series advantages of self-similar pulse make the high power pulse transmission possible, the study includes: the description and solution of self-similar pulse propagating in dispersion-decreasing fiber by nonlinear schrodinger equation, the simulation and analyzation of self-similar pulse propagating, extraction of the influencing factors on pulse chirp linear characteristic; the research on the innovative chirp linearity evaluation method, compressing the self-similar pulses into high quality ultra-short output pulses by injecting the self-similar pulses into the compensation fibers, emphatically solved the chirp compensate problem; the designation of the optical system to validate analytical solution and numerical solution of self-similar pulses. This study not only further researches the digital simulation of self-similar pulses propagation, but also provides effective theoretical and technical support for optical system in the demand of multi-wavelength, high repetition rate.

产生和传输高功率、啁啾线性特性强的超短光脉冲串是国际上光纤光学研究领域的热点之一。但由于光波分裂、四波混频等的影响，难以在光纤中实现高功率的脉冲传输。基于自相似脉冲的一系列优点，本项目研究光纤中脉冲串自相似机理及其啁啾补偿效应，旨在产生高功率超短脉冲串，内容包括：利用非线性薛定谔(NLS)方程描述自相似脉冲对在色散渐减光纤(DDF)中的传输，解出理论解；全过程建模仿真自相似脉冲串在DDF中的传输过程，提取影响脉冲啁啾线性特性的因素；创新性研究啁啾线性度评价方法，引入补偿光纤对自相似脉冲串进行压缩，着重解决啁啾非线性度如何补偿的问题；最后设计光学系统，验证光纤中产生自相似脉冲串的解析解和数值解，产生高质量超短脉冲串。本研究不仅将自相似脉冲串在光纤中的传输推向数字化模拟仿真的深入研究阶段，同时为自相似脉冲串在多波长、高重复率的超短脉冲的光学系统中的实际应用提供有效理论和技术支撑。

针对“光纤中脉冲串自相似传输机理及其啁啾补偿效应研究”的问题，项目提出了光纤中脉冲串自相似传输产生和压缩的啁啾特性研究方法，研究了基于非线性薛定谔(NLS)方程的自相似脉冲对的解析解，全过程建模仿真自相似脉冲串在光纤中的传输过程，创新性研究啁啾线性度评价方法，引入补偿光纤对自相似脉冲串进行压缩补偿，最后设计了基于自相似脉冲的光学系统产生高质量超短脉冲串。具体内容包括：.（1）用非线性薛定谔方程构建自相似脉冲对在光纤中的传输模型，采用约减求解和微扰求解对正色散区色散渐减光纤中传输的非线性薛定谔方程进行求解，并从理论上分析色散渐减光纤（DDF）和非线性渐增光纤（NIF）在不同的锥形剖面时的自相似啁啾的广义解。利用啁啾的良好线性度，在双曲锥型DDF中得到一个最大峰值能量382.31W, FWHM为92.9fs的超短脉冲。.（2）对色散渐减光纤中产生自相似脉冲串进行数学建模，研究了初始脉冲参数、光纤参数对自相似脉冲串传输过程的影响，深入研究了自相似脉冲串震荡区域正弦震荡及暗孤子演化情况，并用啁啾特性进行分析研究；研究了各影响因素之间相关性对啁啾线性度的影响问题。进一步分析了超高斯脉冲的传播特性以及初始啁啾对脉冲传播的影响。.（3）设计补偿光纤补偿自相似脉冲串啁啾的非线性，实现超短脉冲输出。引入脉宽展宽因子衡量NIF和DDF产生的自相似脉冲对产生高质量的超短输出脉冲的区别。研究了超高斯脉冲在具有不同陡峭程度的超高斯型色散渐减光纤中的传输特性以及压缩效果。并进一步采用色散渐增光纤以及光栅对对自相似脉冲进行压缩，得到了优质的高功率超短脉冲输出。.（4）设计了基于自相似脉冲的超短脉冲输出系统，采用一种由3dB耦合器和组合型色散渐减光纤所构成的光纤环形镜，通过优化设计环形镜内两段光纤的长度比获得无基座、高品质超短脉冲串。在此基础上，进一步利用光纤环形镜设计了一种光纤放大器系统，解决了现有光纤放大器输出的脉冲质量不高的技术问题。