锁模光纤激光器数值模拟举例在线视频

现在介绍一下

锁模光纤激光器的数值模拟

就是前面讲过了脉冲在光纤中的传输

和激光器中它的这个光波方程

现在给个实例说

这个方程到底能算出什么来

以锁模光纤激光器为例

这个是我们实验室之前做的工作

所以给大家介绍一下

以锁模的掺镱光纤激光器作为例子

大家看到这个装置图是从左上角开始呢

先是Pump光

然后Pump光耦合镜

通过WDM耦合镜这个系统中来

用的增益光纤是掺镱的光纤

掺镱光纤是在1微米1.03微米

然后呢再经过可饱和吸收体

所以这里头是有可饱和吸收体的

然后他经过OC耦合输出

再往前走呢是隔离器

就是使得这个光在光纤中是单向运转的

前面再走是单模光纤

Single mode fiber这个主要是调节腔长的

在前面有一个带通滤波器

就是刚才说的可以调节它的滤波带宽

这是它的整个的一个结构

这个如果想要做理论模拟呢

把它抽象化一下

那就是给它分成一段一段的

比方说单模光纤有L1增益光纤

SA然后这个各种不同的单模光纤二三

然后带通滤波

所有的这个呢

给它简化了这个图形

之后看一下模拟

这个模拟主要干什么用

方程也讲过了

里头的一些效应也讲了

在这干什么用呢

要讨论一下这个系统中的这些机制

比方说可饱和吸收体的特性

还有泵浦功率

还有滤波带宽这些特性对于输出脉冲的影响

输出的脉冲什么的影响呢

对于它的输出参数来说

是对于脉冲的能量

输出脉冲的峰值功率

输出脉冲的脉宽

以及它的谱宽的影响

也就是说对这些因素

给它改变不同的因素呢

看看输出脉冲的这些参数都变成什么样了

其实别忘了其实最想要的是

一个是跟脉宽有关

一个是跟它的能量有关

或者叫峰值功率有关

涉及到的呢

当然还有什么单脉冲能量

光谱宽度这些都是有的

好有了这个概念之后呢

把这个方程还拿回来

这个是金斯波格朗道方程

里头有几项

一个是色散项β2

一个是非线性项γ

还有这个可饱和吸收g

还有这个滤波带宽

其实就是这个增益带宽

还有这几项

这个时候的g用后面的这个表达式

g可以分为两部分

就是代表可饱和吸收体

可饱和吸收体呢有两种模型

一种是sin模型

把这个可饱吸收体

如果用sin模型的话

它的透过率用的是这个表达式

画出来的图呢

就是下面这个图

大家可以看到它是一个有上升有下降

有上升有下降的过程

但是在前面我们说的

可饱和呢

原来的可饱和的概念就是说

低功率的时候这个脉冲过不去

所以它的功率比较低

到了高功率的时候呢

它的透过率比较高了

这个光波就过去了

其实是前半段

但是后来做研究的时候

我们发现其实这个可饱和吸收体

它还有后半段

就是它从最高值它又降下来了

那我们管降下来这半段呢

我们叫反饱和吸收

由于反饱和吸收

也会带来一些不同的脉冲类型

所以呢对于这个反饱和吸收来说呢

我们主要是用来讨论

非线性光纤光环路镜产生的锁模

以及非线性偏振旋转

产生的这个锁模脉冲的特性

我们把这两类呢叫做等效可饱和吸收体

有的也叫人工可饱和吸收体

还有一类呢就是刚才我们说的

这个可饱和吸收的类型呢

是指数型的

它只有上升这一段儿

就是低功率的部分呢透过率低

然后高功率的部分呢透过率高

并且是饱和了

所以这个叫做

就是一般的可饱和吸收体

这个类型呢

一般用的讨论材料里可饱和吸收体

但是其实现代的研究

发现其实材料类可饱和吸收体

也有反饱和吸收这个特性

我们现在就先什么讨论

好主要是想看一下这个反饱和

吸收曲线会给这个脉冲造成什么影响

把这个反饱和吸收曲线再拿回来看一眼

前面这半段儿呢叫就是正常的饱和吸收

然后当它达到一个最大值的功率的时候

这个饱和曲线就降下来了

这段就叫

反饱和吸收

对应的这个最大值呢

这个PC叫做钳制功率

这个钳制功率

就会造成后面的脉冲输出的特性不一样

这个系统中模拟的时候用的参数

这是一个参数表

这个大家可以到

徐润亲博士论文里头去可以找得到

就是这个模拟给了一些参数

那这个看一下它的模拟结果是什么呢

看一下

反饱和吸收效应对这个输出脉冲的影响

在这个功率比较小的时候

得到的这个脉冲是一个孤子脉冲

其实就是叫耗散孤子

随着这个功率的增加呢

可饱和吸收区就变到了这个反饱和吸收区了

这个时候呢

就会产生一个耗散孤子共振脉冲

看一下这个图

左边这个图大家看

当这个功率比较低时候

它是一个小脉冲

然后随着功率的增加

它逐渐逐渐逐渐就长大了

这个时候呢这个脉冲叫它耗散孤子

它对应的光谱是右边的这个光谱

就是比较小的那个光谱

这个时候呢

如果接着增加这个泵浦功率

就会发现这个脉冲在大的过程中

大到一定程度

它这个峰值就不再往上涨了

这个脉冲就不再往高里长了

它这个脉冲就逐渐变胖

也就是说这个脉冲的峰值功率呢

就被刚才的那个峰值功率的钳制效应

给钳制住了

它峰值功率不再往上涨

但是它的能量接着往上往大涨

所以它就变成了一个逐渐展宽的一个脉冲

这个定义它为叫耗散孤子共振类型

这个时候如果接着加功率

这个时候加功率的时候

就会产生脉冲分裂

下面看的这个就是从这个类似于

有点像方波的这个脉冲呢

就会有一些小的结构出来了

慢慢慢慢就变成了

它是一个大的就变成一个大的脉冲波包

但是这个波包下呢还有许多小的脉冲

这个小的脉冲它的相位和振幅都是随机的

就有点类似于噪声的形式

因此管这一类脉冲的

叫类噪声脉冲

这个所以就是实际上它相当于是

由这个耗散孤子共振就转变过来了

但有的时候这个激光器可能功率加大了之后

它会直接出类噪声脉冲的

类噪声脉冲大家看最右下角这个图

它就会变成一个大的波包的形式

但是里头有很多小脉冲

在里头来看

这个也是一类分类噪声

好现在看一下这个增益饱和功率

或者说这个泵浦功率对于脉冲输出特性的影响

主要看一下耗散孤子共振

左边这个图呢

横轴代表这个是增益饱和功率

也就相当于是说的是泵浦功率

随着泵浦功率的增加

左边这个是单脉冲能量

就看到这个单脉冲能量是一直在增加的

但是从红颜色的曲线看呢

这个是峰值功率

大家可以看到在它长到一定程度时候

这个峰值功率就不变了

因此就是说这个脉冲呢

它是逐渐的在往宽长

它的峰值功率不变

但是它的能量是在逐渐增加的

这个从右边这个图也可以看得出来

横轴仍然是这个增益饱和功率

或者叫泵浦功率

从左边这个脉宽来看呢

就是它的脉冲宽度是逐渐逐渐的

在增加的

但是呢它的光谱宽度

有一个下降之后

这个光谱就基本上不动了

所以耗散孤子共振呢

基本上的特性就是

峰值功率不增加

然后脉宽增加

同时能量增加

这个就是得到的一个结论

这个相当于是什么呢

为什么会产生这种现象呢

是因为由反饱和吸收效应带来的

这个峰值功率的钳制效应

而使得峰值功率被钳制在饱和功率附近

因此产生了这种现象

这个就叫耗散孤子共振的产生

再看一下这个可饱和吸收体的参数

可饱和吸收体

最主要的参数是调制深度

调至深度最脉冲的影响是什么样的呢

看到随着调制深度的增加

脉冲宽度是逐渐的下降的

这个黑颜色的曲线

就是调制深度越大

脉宽是越窄的

同时光谱是增加的

这个也是对的

还有一个特性就是滤波带宽

在这个系统中加一个滤波器

这个滤波有一个滤波带宽

滤波带宽对于输出脉冲的宽度

和光谱宽度影响是什么样的呢

就是滤波带宽越宽

输出脉冲的脉宽越宽

对应的光谱是越窄的

所以黑颜色的曲线是逐渐的上升的

红颜色的曲线是逐渐下降的

这个是滤波带宽的影响

这个都是单脉冲能量的情况

但是再接着继续增加

比方说功率或者是这个改变

可饱和深度

或者是改变滤波带宽

都会使脉冲产生分裂

先看一下增益对于脉冲的影响

增益呢就是增益过大的时候

换句话说就是泵浦功率过大的时候

脉冲会分裂

滤波器滤波器的带宽过窄

脉冲也会分裂

还有一个呢

就是可饱和吸收体的调制深度

过小的时候

模拟一下看一下这个

这个是三种不同的增益情况

看一下增益

如果比较小的时候呢

就是最左边这列波

就形成了一个孤波脉冲

随着增益增加呢

这个脉冲就分裂出两个脉冲

或者甚至于分裂出三个脉冲来

这个就产生脉冲分裂

还有呢就是滤波带宽也是一样的

这个图呢是给出来一个滤波带宽的变化

从d图开始看

d图的这个滤波带宽是最宽的

因此它产生的是一个孤波锁模

然后随着这个滤波带宽逐渐的变窄

这个脉冲就分裂出两个脉冲三个脉冲

甚至于多个脉冲来

这个就是脉冲分裂的影响

这个就是给了一些

在掺镱锁模光纤激光器中

不同的参数对于输出脉冲类型的影响

也就是说输出脉冲呢

有可能除了产生普通说的

这个孤子脉冲以外

还会有耗散孤子共振

还会有类噪声脉冲

以及这些特性对于脉冲的影响

这一章我们就讲到这里

谢谢大家