*1基于主方程被動(dòng)鎖模光纖激光器理論特性研究

蘇曉慧, 張　蕾, 潘玉寨, 樊鵬格,周小芳

(1.長治學(xué)院 電子信息與物理系,山西 長治 046011; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 威海校區(qū)理學(xué)院,山東 威海 264209)

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*1基于主方程被動(dòng)鎖模光纖激光器理論特性研究

蘇曉慧1, 張蕾1, 潘玉寨2, 樊鵬格2,周小芳1

(1.長治學(xué)院 電子信息與物理系,山西 長治 046011; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 威海校區(qū)理學(xué)院,山東 威海 264209)

〔摘要〕采用環(huán)形腔結(jié)構(gòu)作為被動(dòng)鎖模光纖激光器的理論模擬模型,基于主方程演化進(jìn)行理論模擬,模擬了諧振腔腔長、飽和吸收體的損耗因子對(duì)輸出脈沖脈寬和峰值功率的影響．

〔關(guān)鍵詞〕被動(dòng)鎖模光纖激光器;脈寬;峰值功率

0引言

被動(dòng)鎖模光纖激光器具有光束質(zhì)量好、體積小、效率高等眾多優(yōu)點(diǎn),可以作為理想的脈沖光源,可應(yīng)用在材料焊接、光通信、大氣光學(xué)等前沿領(lǐng)域,因此在最近幾年掀起國內(nèi)廣泛應(yīng)用和研究的熱潮．而被動(dòng)鎖模光纖激光器作為一個(gè)非線性耗散系統(tǒng),對(duì)其進(jìn)行理論上的特性研究,可以使得研究者在未建立實(shí)驗(yàn)裝置之前遇見實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的問題及現(xiàn)象[1].

1理論模型

本文采用了圖1所示的環(huán)形腔結(jié)構(gòu),作為被動(dòng)鎖模光纖激光器的理論模擬模型．在實(shí)驗(yàn)及文獻(xiàn)查證中,了解到表征激光器鎖模脈沖的兩個(gè)重要屬性是脈寬峰和值功率．在實(shí)驗(yàn)中,選擇合適的抽運(yùn)功率,發(fā)現(xiàn)腔內(nèi)凈色散是影響脈寬的最主要因素．近幾年,已經(jīng)有許多學(xué)者研究了色散和非線性效應(yīng)對(duì)脈沖的形成和特性的影響效應(yīng)．通過實(shí)驗(yàn),了解到泵浦功率、諧振腔腔長及飽和吸收體的損耗因子可作為被動(dòng)鎖模光纖激光器可直接調(diào)諧的因素[2-3].

圖1　理論模擬環(huán)形腔結(jié)構(gòu)示意圖

主方程通過演化為(1)式:

(1)

式中:TR——脈沖在諧振腔中運(yùn)行一周時(shí)間;

l——個(gè)往返周期內(nèi)的損耗;

A(T,t)——光波的振幅;

Ωg——最大增益帶寬的一半帶寬;

g(t)——飽和增益(飽和增益不隨空間變化,在空間均勻);

Dn——增益色散;

q——損耗因子;

δ——自相位調(diào)制因子.

在被動(dòng)鎖模光纖激光器理論模型中,采用Hause主方程,計(jì)算峰值功率P的表達(dá)式如(2)式所示,計(jì)算脈寬τ的表達(dá)式如(3)式所示:

(2)

(3)

式中:E——脈沖能量;

δ——自相位調(diào)制系數(shù);

D——腔體凈色散.

2特性研究

2.1諧振腔腔長對(duì)脈寬和峰值功率的影響

在如圖1被動(dòng)鎖模光纖激光器中光纖環(huán)形腔中所采用光纖的總長度即為諧振腔腔長[4-7],而在實(shí)驗(yàn)操作中,其中最主要的可調(diào)諧部分為單模光纖長度和摻雜光纖長度．以下就被動(dòng)鎖模光纖激光器中這兩種可以調(diào)節(jié)長度的光纖對(duì)輸出脈沖的峰值功率和脈寬的影響進(jìn)行理論模擬．在理論模擬分析中,利用分布傅里葉方法求解主方程(1),假設(shè)飽和功率遠(yuǎn)小于初始脈沖功率,為了研究單模光纖長度、摻鐿光纖長度對(duì)脈沖特性的影響,取相關(guān)參數(shù)取值如表1、表2所示[1].

表1　模擬單模光纖長度對(duì)脈沖特性的影響參數(shù)取值

表2　模擬摻鐿光纖長度對(duì)脈沖特性的影響參數(shù)取值表

在理論模擬中,取單模光纖長度L——SMF分別為7 m,6 m,5.5 m,5 m進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.

圖2　模擬單模光纖長度對(duì)輸出脈沖特性的影響

在理論模擬中,取摻鐿光纖長度L——Yb分別為10 m,9 m,8.5 m,8 m進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.

圖3　模擬摻鐿光纖長度對(duì)輸出脈沖特性的影響

圖2和圖3可以用來反映脈沖特性與諧振腔腔長的關(guān)系．在理論模擬實(shí)驗(yàn)中,調(diào)諧決定諧振腔腔長的最主要的兩個(gè)因素——單模光纖的長度及摻鐿光纖長度來反應(yīng)其對(duì)輸出脈沖特性的影響．可見,通過改變單模光纖長度而達(dá)到諧振腔腔長的減小,在鎖模達(dá)到穩(wěn)定時(shí),脈寬減小,減小程度不明顯,輸出功率增加;通過改變摻鐿光纖長度而達(dá)到諧振腔腔長的減小,在鎖模達(dá)到穩(wěn)定時(shí),脈寬減小,輸出功率減小[2].

2.2飽和吸收體吸收性質(zhì)對(duì)脈寬和峰值功率的影響

實(shí)驗(yàn)中了解到,飽和吸收體吸收性質(zhì)對(duì)輸出脈沖特性有一定影響,為了對(duì)其進(jìn)行研究取相關(guān)參數(shù)取值如表3所示．

D2ps2m?è???÷?lián)借O光纖非線性系數(shù)(/w*m)單模光纖非線性系數(shù)(/w*m)飽和能量(Psat)單模光纖長度(m)摻鐿光纖長度(m)-804.7e-32000610

在理論模擬中,取飽和吸收體的飽和吸收吸收系數(shù)L-0分別為0.95, 0.9, 0.85,0.8進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.

圖4　模擬飽和吸收體吸收系數(shù)對(duì)輸出脈沖特性的影響

通過圖4的模擬結(jié)果,可以反映輸出脈沖特性與飽和吸收體吸收系數(shù)的關(guān)系,可見飽和吸收體吸收系數(shù)減小,在鎖模達(dá)到穩(wěn)定時(shí),可以增加輸出功率,減小脈寬．

3結(jié)論

基于可飽和吸收體性質(zhì)的被動(dòng)鎖模光纖激光器,采用Hause主方程,通過對(duì)可飽和吸收體吸收系數(shù)、摻鐿光纖長度以及單模光纖長度對(duì)輸出脈沖特性影響進(jìn)行理論模擬．可以得出,采用增加單模光纖長度、減小增益光纖長度或增加可飽和吸收體的飽和吸收系數(shù)的方法,可以使得輸出脈沖的功率減小;采用減小增益光纖長度亦或減小可飽和吸收體的飽和吸收系數(shù)或減小單模光纖長度的方法,可以使得輸出脈沖的脈寬減?。?/p>

在模擬實(shí)驗(yàn)中,建立了基于飽和吸收體性質(zhì)的被動(dòng)鎖模模型,滿足了實(shí)驗(yàn)需要,同時(shí)也提供了一個(gè)計(jì)算工具來支持、預(yù)測和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果,因此這樣的研究很有必要．

參考文獻(xiàn)：

[1]王莎莎,潘玉寨.碳納米管鎖模雙包層光纖激光器的實(shí)驗(yàn)研究[J].物理學(xué)報(bào),2013(2):0242091-0242096

[2]蘇曉慧.被動(dòng)鎖模光纖激光器的理論模擬和特性分析[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013

[3]朱劍峰.非線性偏振旋轉(zhuǎn)被動(dòng)鎖模光纖激光器理論特性研究[D].太原：太原理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2011:13-16

[4]徐金龍.基于石墨烯鎖模全固態(tài)超快激光器件研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)博士學(xué)位論文,2012:50-70

[5]SUN Z,HASAN T,Torrisi F,et al.Graphene mode-locked ultrafast laser[J].Acs Nano,2010,4(2):803-810

[6]王勇月,曲遵世,劉杰，等.碳基吸收體被動(dòng)鎖模大功率皮秒激光器[J].長沙：中國激光,2012,39(7):1-4

[7]劉詩堯.被動(dòng)鎖模光纖激光器及其色散管理[D].長沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2011:30-40

Theory Research of Passivly Mode-Locked Fiber Laser based on the Master Equation

SU Xiaohui1， ZHANG Lei1， PAN Yuzhai2， FAN Pengge2， ZHOU Xiaofang1

(1.Department of Electronic Information and Physics,Changzhi University,Changzhi 046011,2. College of Science, Harbin Institute of Technology at Weihai, Weihai 264209, China)

〔Abstract〕This paper employs annular cavity structure as the theoretical model of a passively mode-locked fiber laser.Based on the master equation as the theory, the paper simulates the influence of the resonator cavity length, the loss factor of saturated absorber to pulse width and peak power of influence.

〔Key words〕passively mode-locked laser; pulse width; peak power

*收稿日期：2015-11-18

基金項(xiàng)目：山西省高等學(xué)?？萍紕?chuàng)新項(xiàng)目(2013157).

作者簡介：蘇曉慧(1987-),女,山西朔州人,碩士,長治學(xué)院電子信息與物理系助教,主要從事拉曼光譜技術(shù)及激光技術(shù)的研究．

〔文章編號(hào)〕1672-2027(2016)01-0069-04〔中圖分類號(hào)〕TN241

〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕A