啁啾指数脉冲的非线性传输研究

数值研究了初始线性啁啾指数光脉冲在单模光纤反常色散区的非线性传输特性,并将这种特性与双曲正割脉冲的相关特性作了比较.脉冲振幅A=1时,负啁啾对脉冲时域宽度展宽的影响比正啁啾大;指数脉冲受啁啾影响比双曲正割脉冲更敏感.A＞1.2时,脉宽在演化过程中呈周期性衰减振荡,振荡周期和振幅随啁啾|C|(|C|≤2)的增大而增大,最后能演化成光孤子.脉冲演化成光孤子所需的最小振幅A比啁啾双曲正割脉冲的大.     

色散平坦渐减光纤中自相似脉冲演化特性研究

从脉冲在光纤中传输所满足的非线性薛定谔方程出发,采用分布傅里叶方法对脉冲在色散平坦渐减光纤中自相似脉冲演化特性进行了研究。结果表明：双曲正割脉冲在不同初始能量和初始脉冲宽度的情况下,色散平坦渐减光纤可以产生带有线性啁啾的自相似脉冲。进一步研究表明,随着初始啁啾增加,脉冲逐渐展宽且展宽速度逐渐加快,而演化特性的劣化程度随啁啾参量的增加而增大;当初始啁啾为正时自相似脉冲演化特性劣于负啁啾时的特性。     

啁啾脉冲高斯光束在自由空间的传输

基于瑞利-索末菲衍射积分,使用复解析信号法推导出了啁啾脉冲高斯光束在自由空间中的传输方程及其傅里叶谱,给出了远场的光场和空间光强的解析式,研究了啁啾参数C对脉冲光束传输的影响。结果表明,当啁啾参数C较小时,随啁啾参数增加,其轴上光谱蓝移增加C2倍,其轴上谱线宽度增加(1 C2)1/2倍。随衍射角增大,轴外光谱红移比无啁啾参数时快。脉冲宽度较小时,啁啾参数增大,轴上光强增大,横向光强分布越集中于传输轴附近;脉冲宽度较大时,啁啾参数增大对横向光强的影响减小。啁啾参数的正负号不影响横向光强分布和光谱分布。     

双曲正割脉冲在光纤中传输的非线性效应

高斯型脉冲在光纤中的传输已有解析解,而对于一些锁模激光器发射的双曲正割脉冲在光纤中的传输特性尚未有解析解。为了研究高功率双曲正割脉冲在单模光纤中的传输特性,文中借助于分步傅里叶方法分析了峰值功率5 000W的双曲正割脉冲在初始啁啾为1.7 rad/s,色散长度0.64 m,非线性长度1.53 m 时1 m 长的光纤中的脉冲演化过程。结果表明,其色散感应脉冲展宽的定性特征与高斯脉冲近似一致,但色散感应的频率啁啾沿脉冲不再是纯线性变化,若输入脉冲峰值功率过大,会引起频谱振荡。     

初始啁啾对凸形色散平坦光纤超连续谱的影响

采用分步傅里叶方法数值研究了线性频率啁啾对高斯光脉冲在凸形色散分布平坦光纤中产生超连续(SC)谱的影响,并与啁啾双曲正割脉冲产生SC谱的情况进行了比较.结果表明:无啁啾高斯光脉冲的SC谱达到200 nm以上,其特性优于双曲正割脉冲的SC谱;获得最佳SC谱所需光纤长度随啁啾参量C增加而缩短;负啁啾时的SC谱特性劣于正啁啾时的特性,2种情况下的SC谱特性均劣于无啁啾时的SC谱特性,SC谱特性的劣化程度随|C|的增加而增大;在最佳SC谱对应的传输距离附近,高斯脉冲频谱质心随C的增加而红移且红移速度逐渐增加,比双曲正割脉冲的红移大且红移速度增加;高斯脉冲方均根频谱和脉宽随传输距离和随C增加逐渐展宽且展宽速度逐渐加快,比双曲正割脉冲的相应参量展宽得快且宽.     

掺铒光纤放大器中孤子脉冲获得线性啁啾的研究

为了研究孤子脉冲经掺铒光纤放大器演变后的啁啾特性,采用了对称分步傅立叶的数值方法,对孤子脉冲在不同增益条件下的演变和线性啁啾特性进行了数值仿真。数值计算的结果表明：当满足增益系数μ远大于1时,基孤子脉冲在放大器中传输能够获得很好的线性啁啾,且发现脉冲的啁啾特性受选取的放大器长度参量的影响;啁啾越明显的脉冲,线性啁啾所占的区域越窄。进一步研究还发现初始啁啾系数和孤子阶数对脉冲获得的线性啁啾均有很大影响,初始正啁啾系数和高孤子阶数均能增强输出脉冲的线性啁啾特性。因此,利用孤子脉冲在掺铒光纤放大器中传输的非线性效应能够获得良好的线性啁啾,这对实现高质量的脉冲压缩是很有帮助的。     

10GHz ps光孤子在G652光纤中的绝热传输实验

利用二次谐波频率分辨光学门(FROG)脉冲分析仪,实验研究了一阶啁啾ps光孤子在普通单模光纤(SMF)中长距离绝热传输时脉冲波形、脉宽和啁啾的变化规律。实验结果表明,在色散较大的标准SMF中,一阶啁啾孤子的稳定传输长度超过1000个色散长度,即很好地保持双曲正割波形不变(啁啾不影响孤子的波形),但啁啾孤子的脉宽展宽速度高于非啁啾孤子绝热传输的微扰结果;采取预加重措施,可以减小孤子脉宽的增大。因此,对于占空比较小的ps孤子脉冲,可以不必采用复杂的消啁啾和色散管理措施,就可以利用绝热方式进行稳定传输。     

高功率啁啾高斯脉冲在光纤中传输的形变研究

从光纤广义非线性薛定谔方程出发,定义了用于衡量脉冲形变大小的脉冲形变因子,定量地分析了在传输过程中脉冲形变因子、临界长度、临界功率及初始啁啾之间的关系。结果表明:在传输过程中,当入射脉冲的峰值功率一定时,正啁啾脉冲的形变比负啁啾脉冲和无啁啾脉冲的形变小;当脉冲的初始啁啾一定时,脉冲传输的临界长度随着传输功率的增加而降低,且随着功率的增大,不同初始啁啾脉冲的临界长度趋于一致;在传输距离一定时,临界功率与初始啁啾呈线性变化,且啁啾的漂移对正啁啾脉冲的临界功率影响较大。     

五次非线性效应对高斯脉冲啁啾演变的影响

从包含五次非线性项的扩展非线性薛定谔方程出发,从理论上推导出包含五次非线性系数的啁啾表达式,以高斯脉冲为例,发现五次非线性效应对啁啾的影响与脉冲的初始啁啾、光纤的损耗系数、入射光场的峰值功率和脉冲传输距离等诸多因素有关,在其它参数给定的情况下,重点考虑了五次非线性效应对啁啾的影响特性。研究结果表明,五次非线性效应可以减小啁啾,让啁啾极值点向脉冲两侧漂移,选择合适五次非线性系数的光纤,并与其它参数相匹配,可以使脉冲中心附近相当宽的区域出现净啁啾等于零或近似等于零的现象。     

啁啾艾里脉冲和孤子在非均匀光纤中的传输

以变系数耦合高阶非线性薛定谔方程为理论模型,采用分步傅里叶方法研究了有初始啁啾的艾里脉冲和光孤子在非均匀光纤的反常色散区传输时艾里脉冲的演化特性。结果表明:正负啁啾条件下艾里脉冲都会产生俘获孤子。当初始啁啾为正时,产生传播方向与原加速方向相反的艾里脉冲;当初始啁啾为负时,艾里脉冲会沿与加速方向相反的方向发生色散。研究了不同截断系数和非线性条件下正啁啾艾里脉冲的传输演化特性。     

部分相干脉冲光束的M2因子

研究了部分相干超短脉冲光束的M2因子。从时空维格纳分布函数出发,以高斯-谢尔(GSM)脉冲光束为例,导出部分相干超短脉冲光束的M2因子公式。给出了空间完全相干高斯脉冲光束和准单色高斯-谢尔脉冲光束的M2因子。由于受脉冲光束带宽及空间相关度的影响,高斯-谢尔脉冲光束的M2因子总是大于1。研究结果表明,M2因子随脉冲光束带宽的增大而增大,随空间相关度的增大而减小。此外,对于啁啾高斯-谢尔脉冲光束,M2因子还随啁啾参数的增大而增大。     

色散介质中超短脉冲厄米-高斯光束在相位奇点附近的光谱异常特性

基于索末菲(Sommerfeld)衍射积分公式,对色散介质中超短脉冲厄米-高斯光束在相位奇点附近的光谱异常行为进行了研究,并与真空中的光谱异常行为进行了比较.结果表明,超短脉冲厄米-高斯光束的轴上光谱蓝移,蓝移大小与群速度及脉冲宽度有关,而与群速度色散无关.色散介质中的相对光谱移动略小于真空中的相对光谱移动,脉冲宽度越大,相对光谱移动越小.光谱开关的位置与横向距离、传输介质和厄米函数阶数m,n有关,而与脉冲宽度无关.光谱开关的横向距离小于真空中的相应阶的光谱开关的横向距离,并且随光谱开关的阶数增加,真空和色散介质的相对光谱移动均缓慢减小.     

远场的薄色散介质对超短脉冲的影响

时空耦合效应导致超短脉冲在远场频谱分布的复杂性。这种复杂性使放置于远场的薄色散介质对光脉冲同时产生时间展宽和波前弯曲等变化。同时给出了解析结果和数值计算实例。     

窄带和宽带双曲正割脉冲光束的解析传输式

从近轴波动方程出发推导了窄带和宽带双曲正割脉冲光束的解析传输公式。通过数值计算比较了分别采用复振幅包络(CAE)表示式和复解析信号(CAS)表示式得到的脉冲光束，得出了选择脉冲光束研究方法的条件。结果表明复振幅包络表示式得到的解会存在空间奇异性，使光束出现不符合物理意义的非光束行为。对于宽带光束，复振幅包络解的奇异点的位置距离轴中心较近，使复包络解不能正确表示脉冲光束，而对于奇异点位置远离轴中心的窄带光束，对脉冲光束产生的影响可以忽略。因此，窄带脉冲光束可以采用复振幅包络和复解析信号两种表示式来研究，而对于宽带脉冲光束，必须采用严格的复解析信号表示式。     

双曲正割光束在强非局域对数饱和型非线性介质中的传输特性

从非局域非线性薛定谔方程出发,依据对数饱和型非线性介质中非线性折射率的变化规律,求出了1+1维双曲正割光束在强非局域对数饱和型非线性介质所对应的拉格朗日密度函数的近似表达式。在此基础上,利用变分法得到了光束各参量的演化方程。从光束各参量的演化方程出发,进一步得到了光束各参量的演化规律,并由此得到了一个临界束宽。当光束初始束宽等于临界束宽时,并且从束腰处入射时可以得到稳定的1+1维双曲正割型空间光孤子;在一般情形下,光束初始束宽不等于临界束宽时,得到了束宽振荡的1+1维双曲正割型空间呼吸子。     

波前像差对超短飞秒激光脉冲聚焦特性的影响

为了研究波前像差对超短飞秒激光脉冲聚焦特性的影响, 基于瑞利-索末菲标量衍射理论, 对比研究了在散焦、像散、慧差、三叶形像差以及球差等各类波前像差下, 均匀强度分布和高斯强度分布的超短飞秒激光脉冲的聚焦特性。结果表明, 波前像差对均匀强度分布的飞秒脉冲在焦平面处的光强分布具有明显的不利影响, 从而降低飞秒脉冲的聚焦峰值功率, 而对高斯强度分布的飞秒脉冲影响相对较小, 即在高斯强度分布下, 在焦平面处仍然有可能获得较好的、近衍射极限的聚焦光斑; 在非焦平面处, 即使初始脉冲具有高斯强度分布, 非焦平面处的光强分布受各类波前像差的影响也较为明显; 对于所研究的30fs(1/e2半宽度)超短脉冲, 波前像差对脉冲持续时间的影响几乎可以忽略。此研究结果对超短飞秒激光束的光束质量评估及聚焦特性分析具有实际的指导意义。