硫系基質(zhì)光子晶體光纖產(chǎn)生超連續(xù)譜的數(shù)值模擬研究.pdf

1、超連續(xù)譜是指將窄脈沖激光輸入到非線性光纖中，利用光纖的色散與非線性效應(yīng)獲得的光譜展寬現(xiàn)象。和普通光譜相比，超連續(xù)譜除了具有范圍寬的特點(diǎn)外，還具備可與激光相媲美的亮度高、相干性好等優(yōu)點(diǎn)。超連續(xù)譜的光譜范圍能夠覆蓋可見(jiàn)及中遠(yuǎn)紅外波段，可用于有毒氣體和爆炸物的探測(cè)、醫(yī)療診斷以及軍事上的紅外對(duì)抗等領(lǐng)域。由于現(xiàn)在沒(méi)有任何一種激光器可以同時(shí)輸出中紅外到遠(yuǎn)紅外的激光，所以，發(fā)展中遠(yuǎn)紅外超連續(xù)譜具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　要產(chǎn)生高質(zhì)量的超連續(xù)譜，必

2、須滿足兩個(gè)條件，一是光纖色散要與泵浦波長(zhǎng)匹配，二是光纖要具備高的非線性。以硫系玻璃為基質(zhì)的光子晶體光纖擁有許多傳統(tǒng)光纖所不具備的優(yōu)異特性，如：在中紅外區(qū)域透過(guò)率高且透過(guò)范圍寬，比石英玻璃高達(dá)2~3個(gè)數(shù)量級(jí)的非線性系數(shù)，無(wú)截止單模傳輸，色散可控和有效模場(chǎng)面積可調(diào)等。其中，色散可控和高非線性對(duì)超連續(xù)譜的產(chǎn)生有非常大的優(yōu)勢(shì)，色散可控就是可以靈活調(diào)控色散零點(diǎn)和色散平坦度；而高非線性是影響超連續(xù)譜產(chǎn)生的另外一個(gè)重要因素，研究發(fā)現(xiàn)硫系玻璃擁有很高的

3、非線性系數(shù)，可達(dá)到石英材料的100~1000倍，因此采用硫系基質(zhì)的光子晶體光纖在中紅外波段產(chǎn)生備受關(guān)注的超連續(xù)譜是一項(xiàng)極具研究潛力的項(xiàng)目。本文主要開(kāi)展硫系玻璃光子晶體光纖中超連續(xù)光譜的產(chǎn)生及特性研究。論文包括以下幾部分內(nèi)容：
　　論文的第一章，主要介紹了超連續(xù)譜的產(chǎn)生過(guò)程，以及采用硫系玻璃材料產(chǎn)生超連續(xù)譜的優(yōu)勢(shì)，光子晶體光纖的分類(lèi)、特性，以及硫系基質(zhì)光子晶體光纖中超連續(xù)譜的研究進(jìn)展，最后簡(jiǎn)單敘述了本論文主要的研究?jī)?nèi)容以及相應(yīng)的技術(shù)

4、難點(diǎn)。
　　第二章由麥克斯韋方程組入手，獲得了光子晶體光纖中脈沖傳輸?shù)幕纠碚撃Ｐ停磸V義非線性薛定諤方程，然后對(duì)此方程的解析方法，即分步傅里葉法進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析。
　　第三章是實(shí)驗(yàn)部分，講述了硫系玻璃的制備工藝及塊狀玻璃相關(guān)參數(shù)的測(cè)試情況，包括硬度測(cè)試、紅外透過(guò)光譜測(cè)試以及差熱分析測(cè)試。
　　第四章研究硫系光子晶體光纖中的色散調(diào)控，是本文的重點(diǎn)部分，也是產(chǎn)生超連續(xù)譜的基礎(chǔ)。該章利用多極法對(duì)硫系光子晶體光纖的色散特性進(jìn)行

5、分析，分別探討了色散曲線隨空氣孔間距和空氣占空比的變化而變化的規(guī)律，并對(duì)損耗及模場(chǎng)面積進(jìn)行了相應(yīng)的分析。最后通過(guò)優(yōu)化光纖結(jié)構(gòu)，獲得了內(nèi)兩層氣孔半徑為0.7μm，外兩層氣孔半徑為0.8μm，孔間距為4μm的光纖結(jié)構(gòu)。最終的模擬輸出結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)光纖在3~5μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)都能夠滿足色散平坦的要求，并且色散絕對(duì)值不大于3.8 ps/nm/km，有利于超連續(xù)譜的產(chǎn)生。
　　第五章利用 MATLAB軟件編程，對(duì)第四章所設(shè)計(jì)的硫系基質(zhì)光子晶

6、體光纖產(chǎn)生超連續(xù)譜的現(xiàn)象進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果顯示，當(dāng)泵浦功率一定時(shí)，超連續(xù)譜的展寬通常是隨著光纖長(zhǎng)度的增加而增加。當(dāng)光纖長(zhǎng)度一定，頻譜的展寬隨著泵浦功率的增加也在不斷增加，但是當(dāng)泵浦功率達(dá)到165 W后，雖然功率增加，不過(guò)頻譜繼續(xù)展寬的范圍卻變得很小了。當(dāng)泵浦功率和光纖長(zhǎng)度一定時(shí)，泵浦波長(zhǎng)由正常色散區(qū)經(jīng)歷零色散波長(zhǎng)，最后到達(dá)反常色散區(qū)。在該過(guò)程中，頻譜隨著泵浦波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向的移動(dòng)而不斷展寬，但是平坦度卻在降低。結(jié)合上述情況，最終得到，當(dāng)