苏晓慧, 张　蕾, 潘玉寨, 樊鹏格,周小芳

(1.长治学院 电子信息与物理系,山西 长治 046011; 2.哈尔滨工业大学 威海校区理学院,山东 威海 264209)



*1基于主方程被动锁模光纤激光器理论特性研究

苏晓慧1, 张蕾1, 潘玉寨2, 樊鹏格2,周小芳1

(1.长治学院 电子信息与物理系,山西 长治 046011; 2.哈尔滨工业大学 威海校区理学院,山东 威海 264209)

〔摘要〕采用环形腔结构作为被动锁模光纤激光器的理论模拟模型,基于主方程演化进行理论模拟,模拟了谐振腔腔长、饱和吸收体的损耗因子对输出脉冲脉宽和峰值功率的影响．

〔关键词〕被动锁模光纤激光器;脉宽;峰值功率

0引言

被动锁模光纤激光器具有光束质量好、体积小、效率高等众多优点,可以作为理想的脉冲光源,可应用在材料焊接、光通信、大气光学等前沿领域,因此在最近几年掀起国内广泛应用和研究的热潮．而被动锁模光纤激光器作为一个非线性耗散系统,对其进行理论上的特性研究,可以使得研究者在未建立实验装置之前遇见实验中可能出现的问题及现象[1].

1理论模型

本文采用了图1所示的环形腔结构,作为被动锁模光纤激光器的理论模拟模型．在实验及文献查证中,了解到表征激光器锁模脉冲的两个重要属性是脉宽峰和值功率．在实验中,选择合适的抽运功率,发现腔内净色散是影响脉宽的最主要因素．近几年,已经有许多学者研究了色散和非线性效应对脉冲的形成和特性的影响效应．通过实验,了解到泵浦功率、谐振腔腔长及饱和吸收体的损耗因子可作为被动锁模光纤激光器可直接调谐的因素[2-3].

图1　理论模拟环形腔结构示意图

主方程通过演化为(1)式:

(1)

式中:TR——脉冲在谐振腔中运行一周时间;

l——个往返周期内的损耗;

A(T,t)——光波的振幅;

Ωg——最大增益带宽的一半带宽;

g(t)——饱和增益(饱和增益不随空间变化,在空间均匀);

Dn——增益色散;

q——损耗因子;

δ——自相位调制因子.

在被动锁模光纤激光器理论模型中,采用Hause主方程,计算峰值功率P的表达式如(2)式所示,计算脉宽τ的表达式如(3)式所示:

(2)

(3)

式中:E——脉冲能量;

δ——自相位调制系数;

D——腔体净色散.

2特性研究

2.1谐振腔腔长对脉宽和峰值功率的影响

在如图1被动锁模光纤激光器中光纤环形腔中所采用光纤的总长度即为谐振腔腔长[4-7],而在实验操作中,其中最主要的可调谐部分为单模光纤长度和掺杂光纤长度．以下就被动锁模光纤激光器中这两种可以调节长度的光纤对输出脉冲的峰值功率和脉宽的影响进行理论模拟．在理论模拟分析中,利用分布傅里叶方法求解主方程(1),假设饱和功率远小于初始脉冲功率,为了研究单模光纤长度、掺镱光纤长度对脉冲特性的影响,取相关参数取值如表1、表2所示[1].

表1　模拟单模光纤长度对脉冲特性的影响参数取值

表2　模拟掺镱光纤长度对脉冲特性的影响参数取值表

在理论模拟中,取单模光纤长度L——SMF分别为7 m,6 m,5.5 m,5 m进行实验,实验结果如图2所示.

图2　模拟单模光纤长度对输出脉冲特性的影响

在理论模拟中,取掺镱光纤长度L——Yb分别为10 m,9 m,8.5 m,8 m进行实验,实验结果如图3所示.

图3　模拟掺镱光纤长度对输出脉冲特性的影响

图2和图3可以用来反映脉冲特性与谐振腔腔长的关系．在理论模拟实验中,调谐决定谐振腔腔长的最主要的两个因素——单模光纤的长度及掺镱光纤长度来反应其对输出脉冲特性的影响．可见,通过改变单模光纤长度而达到谐振腔腔长的减小,在锁模达到稳定时,脉宽减小,减小程度不明显,输出功率增加;通过改变掺镱光纤长度而达到谐振腔腔长的减小,在锁模达到稳定时,脉宽减小,输出功率减小[2].

2.2饱和吸收体吸收性质对脉宽和峰值功率的影响

实验中了解到,饱和吸收体吸收性质对输出脉冲特性有一定影响,为了对其进行研究取相关参数取值如表3所示．

D2ps2mæèçöø÷掺镱光纤非线性系数(/w*m)单模光纤非线性系数(/w*m)饱和能量(Psat)单模光纤长度(m)掺镱光纤长度(m)-804.7e-32000610

在理论模拟中,取饱和吸收体的饱和吸收吸收系数L-0分别为0.95, 0.9, 0.85,0.8进行模拟实验,实验结果如图4所示.

图4　模拟饱和吸收体吸收系数对输出脉冲特性的影响

通过图4的模拟结果,可以反映输出脉冲特性与饱和吸收体吸收系数的关系,可见饱和吸收体吸收系数减小,在锁模达到稳定时,可以增加输出功率,减小脉宽．

3结论

基于可饱和吸收体性质的被动锁模光纤激光器,采用Hause主方程,通过对可饱和吸收体吸收系数、掺镱光纤长度以及单模光纤长度对输出脉冲特性影响进行理论模拟．可以得出,采用增加单模光纤长度、减小增益光纤长度或增加可饱和吸收体的饱和吸收系数的方法,可以使得输出脉冲的功率减小;采用减小增益光纤长度亦或减小可饱和吸收体的饱和吸收系数或减小单模光纤长度的方法,可以使得输出脉冲的脉宽减小．

在模拟实验中,建立了基于饱和吸收体性质的被动锁模模型,满足了实验需要,同时也提供了一个计算工具来支持、预测和验证实验结果,因此这样的研究很有必要．

参考文献：

[1]王莎莎,潘玉寨.碳纳米管锁模双包层光纤激光器的实验研究[J].物理学报,2013(2):0242091-0242096

[2]苏晓慧.被动锁模光纤激光器的理论模拟和特性分析[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013

[3]朱剑峰.非线性偏振旋转被动锁模光纤激光器理论特性研究[D].太原：太原理工大学硕士学位论文,2011:13-16

[4]徐金龙.基于石墨烯锁模全固态超快激光器件研究[D].济南：山东大学博士学位论文,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,刘杰，等.碳基吸收体被动锁模大功率皮秒激光器[J].长沙：中国激光,2012,39(7):1-4

[7]刘诗尧.被动锁模光纤激光器及其色散管理[D].长沙:国防科学技术大学硕士学位论文,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

基金项目：山西省高等学校科技创新项目(2013157).

作者简介：苏晓慧(1987-),女,山西朔州人,硕士,长治学院电子信息与物理系助教,主要从事拉曼光谱技术及激光技术的研究．

〔文章编号〕1672-2027(2016)01-0069-04〔中图分类号〕TN241

〔文献标识码〕A