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宽光谱与时域宽调谐光纤激光器研究及应用

作　者: 张先明
导　师: 明海; 许立新
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 光学
关键词: 光纤激光器超连续光谱方波脉冲光纤光栅传感
分类号: TN248
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

光纤激光器以其效率高、结构紧凑、光束质量好等优点在科学研究和工业生产中得到广泛应用,这些应用包括：光纤频率梳、微加工、光纤传感等。光纤激光器时域与频域光谱特性是表征光纤激光器性能的重要属性,与光纤激光器的具体应用相关,因此,深入研究光纤激光器输出的时频特性无论从学术还是工业应用上都有重要意义。本论文的工作主要围绕频域宽光谱、时域宽调谐光纤激光器及应用展开研究,主要研究了光纤激光器中超平坦宽光谱和时域宽调谐方波脉冲的获取技术及其相关特性,应用波长程控宽调谐光纤激光器实现电网光纤光栅温度传感等。具体研究内容如下：1.实验研究了非线性偏振旋转(NPR)锁模的全光纤正常色散腔和反常色散腔中宽光谱的输出特性：在正常色散腔内获得了42nm宽度的矩形光谱输出：在反射色散腔内实现了光谱3dB带宽102nm宽光谱内噪声脉冲锁模激光器。2.利用内噪声脉冲光纤激光器为泵浦源泵浦高非线性光纤产生超平坦超连续光谱,获得了1000—1750nnn的全光纤平坦超连续光谱输出,理论构建内噪声脉冲产生超连续光谱模型,模拟结果显示内噪声脉冲能很好平滑超连续光谱。3.研制了基于NPR锁模的全光纤时域宽调谐方波脉冲光纤激光器,利用高非线性光纤获得了时域从10—1716ns范围内的调谐方波脉冲输出,调谐范围超过1700ns,调谐能力达到5.1ns/mW;构建了NPR光纤激光器理论模型,解释了方波脉冲的形成过程,模拟了非线性系数对方波脉冲调谐范围和峰值功率的影响。4.设计实现了可编程控制的宽调谐掺铒光纤激光器,波长调谐范围超过51nm (1516.8-1568.3nm),调谐步长最小可达0.01nm,可通过编程控制波长调谐。将该激光器与光纤光栅组成的准分布式温度传感系统,应用于电网系统中,初步实现了对16路共48个点的实时温度监测。本论文的主要创新点：1.提出并实现了时域宽调谐方波脉冲锁模光纤激光器。脉冲宽度调谐范围超过1700ns (10-1716ns),调谐能力达到5.1ns/mW。实验结果和理论模型显示非线性系数对方波脉冲的调谐范围起着重要的作用,高非线性系数能有效提高方波脉冲的时域调谐范围；2.基于广义非线性薛定谔方程构建了内噪声脉冲产生超连续光谱理论模型,模拟结果显示内噪声脉冲能有效平滑超连续光谱；实验利用宽光谱内噪声锁模脉冲注入高非线性光纤,获得了1000—1750nm的全光纤平坦超连续光谱输出,其中短波光谱强度起伏在2dB以内的光谱宽度超过420nm。3.将可编程控制的波长宽调谐掺铒光纤激光器,应用于光纤光栅温度传感系统中,初步实现了对16路共48个点的实时温度监测。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第一章绪论  11-37
  1.1 光纤激光器简介  11-17
    1.1.1 光纤激光器历史  11-12
    1.1.2 光纤激光器分类  12-16
    1.1.3 光纤激光器的特点  16-17
  1.2 光纤激光器的发展方向  17-24
    1.2.1 高功率光纤激光器  17-20
    1.2.2 光纤激光器时域发展  20-22
    1.2.3 光纤激光器频域发展  22-24
  1.3 光纤激光器的应用  24-27
    1.3.1 超连续光谱  24-25
    1.3.2 光学频率梳  25-26
    1.3.3 工业应用  26-27
  1.4 本论文主要内容  27-28
  参考文献  28-37
第二章光脉冲在光纤中传输的时频特性研究  37-55
  2.1 光脉冲在光纤中的传输方程  37-39
  2.2 光脉冲传输方程的数值解法  39-41
  2.3 脉冲在单模光纤中的时频特性  41-46
  2.4 超短脉冲的超连续光谱产生  46-52
    2.4.1 超连续光谱产生机理  47-48
    2.4.2 色散的影响  48-51
    2.4.3 脉冲宽度和峰值功率的影响  51-52
  2.5 本章小结  52-53
  参考文献  53-55
第三章宽光谱光纤激光器及平坦超连续光谱产生研究  55-73
  3.1 非线性偏振旋转锁模原理  56-57
  3.2 正常色散腔宽光谱光纤激光器实验研究  57-61
  3.3 反常色散腔宽光谱光纤激光器实验研究  61-64
  3.4 全光纤平坦超连续光谱产生研究  64-69
    3.4.1 全光纤平坦超连续光的实验研究  64-66
    3.4.2 超连续光产生的理论研究  66-69
  3.5 本章小结  69-71
  参考文献  71-73
第四章时域宽调谐方波脉冲光纤激光器研究  73-101
  4.1 时域宽调谐方波脉冲光纤激光器的研究背景  73-76
  4.2 时域宽调谐方波脉冲光纤激光器的实验研究  76-87
    4.2.1 高非线性光纤的宽调谐方波脉冲光纤激光器  76-83
    4.2.2 单模光纤的方波脉冲光纤激光器  83-85
    4.2.3 方波脉冲光纤激光器的啁啾特性  85-87
  4.3 基于NPR结构的方波脉冲光纤激光器理论分析  87-96
    4.3.1 基于NPR结构的光纤激光器的理论模型  87-92
    4.3.2 初始功率的稳定工作区间  92-94
    4.3.3 非线性系数对方波脉冲的影响  94-96
  4.4 基于8字腔结构的方波脉冲光纤激光器实验研究  96-97
  4.5 本章小结  97-98
  参考文献  98-101
第五章宽调谐光纤激光器及其温度传感中的应用  101-115
  5.1 光纤光栅温度传感简介  101-103
    5.1.1 光纤光栅温度传感原理  101-102
    5.1.2 光纤光栅传感发展  102-103
  5.2 波长扫描光纤激光器实验研究  103-108
    5.2.1 波长扫描光纤激光器实验结构  103-105
    5.2.2 波长扫描宽调谐光纤激光器实验结果  105-108
  5.3 智能电网温度复用传感中的应用  108-110
    5.3.1 智能电网温度复用传感系统结构  108-109
    5.3.2 信号解调和查询原理  109-110
    5.3.3 实验结果和讨论  110
  5.4 本章小结  110-112
  参考文献  112-115
第六章总结和展望  115-117
在读期间发表的学术论文  117-118
致谢  118

宽光谱与时域宽调谐光纤激光器研究及应用

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