搜索

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的理论模型和数值分析

粟荣涛 张鹏飞 周朴 肖虎 王小林 段磊 吕品 许晓军

窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的理论模型和数值分析

粟荣涛, 张鹏飞, 周朴, 肖虎, 王小林, 段磊, 吕品, 许晓军
PDF
导出引用
  • 窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器在非线性频率变换、遥感探测和量子信息等领域有广泛的应用前景.综合考虑受激拉曼散射(stimulated Raman scattering,SRS)、受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering,SBS)、自相位调制(self-phase modulation)和交叉相位调制(cross-phase modulation)等非线性效应,建立了窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的非线性动力学模型.仿真分析了放大器中脉冲激光的时频演化特性,对比研究了抽运脉冲宽度、光纤长度和信号光功率等因素对放大器性能的影响.研究发现,上述因素会影响放大器的SRS阈值、SBS阈值、输出激光线宽、激光转换效率等.例如,当脉冲宽度为800 ns时,SBS随着抽运功率的增加而发生,限制了激光功率的提升;减短抽运脉宽可以抑制SBS,但是输出激光的线宽易于展宽到数百MHz以上;增加光纤长度可以获得更低的SRS阈值和更高的转换效率,但是SBS效应和光谱展宽程度也随之增强.系统搭建中需要平衡各非线性效应,选择合适的系统参数.研究内容可以为窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的设计搭建提供参考.
      通信作者: 粟荣涛, surongtao@126.com
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号:61705265,61705264)、中国博士后科学基金(批准号:2017M620070)和国家重点研发计划(批准号:2017YFF0104603,2016YFB0402204)资助的课题.
    [1]

    Shi W, Fang Q, Zhu X, Norwood R A, Peyghambarian N 2014 Appl. Opt. 53 6554

    [2]

    Zheng Y, Yang Y, Wang J, Hu M, Liu G, Zhao X, Chen X, Liu K, Zhao C, He B, Zhou J 2016 Opt. Express 24 12063

    [3]

    Yan P, Sun J, Li D, Wang X, Huang Y, Gong M, Xiao Q 2016 Opt. Express 24 19940

    [4]

    Fu S, Shi W, Feng Y, Zhang L, Yang Z, Xu S, Zhu X, Norwood R A, Peyghambarian N 2017 J. Opt. Soc. Am. B 34 A49

    [5]

    Xu S, Li C, Zhang W, Mo S, Yang C, Wei X, Feng Z, Qian Q, Shen S, Peng M, Zhang Q, Yang Z 2013 Opt. Lett. 38 501

    [6]

    Zhang L M, Zhou S H, Zhao H, Zhang K, Hao J P, Zhang D Y, Zhu C, Li Y, Wang X F, Zhang H B 2014 Acta Phys. Sin. 63 134205 (in Chinese) [张利明, 周寿桓, 赵鸿, 张昆, 郝金坪, 张大勇, 朱辰, 李尧, 王雄飞, 张浩彬 2014 物理学报 63 134205]

    [7]

    Huang Z, Liang X, Li C, Lin H, Li Q, Wang J, Jing F 2016 Appl. Opt. 55 297

    [8]

    Carlson C G, Dragic P D, Price R K, Coleman J J, Swenson G R 2009 IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 15 451

    [9]

    Feng Y, Huang S, Shirakawa A, Ueda K 2004 Jpn. J. Appl. Phys. 43 722

    [10]

    Agrawal G P 2013 Nonlinear Fiber Optics (Fifth Edition) (New York: Academic) pp296-297

    [11]

    Dajani I, Vergien C, Robin C, Ward B 2013 Opt. Express 21 12038

    [12]

    Zhang L, Hu J, Wang J, Feng Y 2012 Opt. Lett. 37 4796

    [13]

    Zhang L, Cui S, Liu C, Zhou J, Feng Y 2013 Opt. Express 21 5456

    [14]

    Boggio J M C, Marconi J D, Fragnito H L 2005 IEEE J. Lightwave Technol. 23 3808

    [15]

    Qi Y F, Liu C, Zhou J, Chen W B, Dong J X, Wei Y R, Lou Q H 2010 Acta Phys. Sin. 59 3942 (in Chinese) [漆云凤, 刘驰, 周军, 陈卫标, 董景星, 魏运荣, 楼祺洪 2010 物理学报 59 3942]

    [16]

    Theeg T, Sayinc H, Neumann J, Kracht D 2012 IEEE Photon. Technol. Lett. 24 1864

    [17]

    Feng Y, Taylor L R, Calia D B, Holzlner R, Hackenberg W 2009 Frontiers in Optics San Jose, October 18-22, 2009 PDPA4

    [18]

    Su R T, Zhou P, Xiao H, Wang X L, Ma Y X, Si L, Xu X J 2012 Chinese Patent CN 102931574B (in Chinese) [粟荣涛, 周朴, 肖虎, 王小林, 马阎星, 司磊, 许晓军 2012 中国 发明专利 CN 102931574B]

    [19]

    Su R T, Zhou P, Wang X L, L H, Xu X J 2014 J. Opt. 16 015201

    [20]

    Runcorn T H, Murray R T, Kelleher E J, Popov S V, Taylor J R 2015 Opt. Lett. 40 3085

    [21]

    Vergien C, Dajani I, Zeringue C 2010 Opt. Express 18 26214

    [22]

    Zhang L, Jiang H, Cui S, Feng Y 2014 Opt. Lett. 39 1933

    [23]

    Boyd R W, Rzyzewski K, Narum P 1990 Phys. Rev. A 42 5514

  • [1]

    Shi W, Fang Q, Zhu X, Norwood R A, Peyghambarian N 2014 Appl. Opt. 53 6554

    [2]

    Zheng Y, Yang Y, Wang J, Hu M, Liu G, Zhao X, Chen X, Liu K, Zhao C, He B, Zhou J 2016 Opt. Express 24 12063

    [3]

    Yan P, Sun J, Li D, Wang X, Huang Y, Gong M, Xiao Q 2016 Opt. Express 24 19940

    [4]

    Fu S, Shi W, Feng Y, Zhang L, Yang Z, Xu S, Zhu X, Norwood R A, Peyghambarian N 2017 J. Opt. Soc. Am. B 34 A49

    [5]

    Xu S, Li C, Zhang W, Mo S, Yang C, Wei X, Feng Z, Qian Q, Shen S, Peng M, Zhang Q, Yang Z 2013 Opt. Lett. 38 501

    [6]

    Zhang L M, Zhou S H, Zhao H, Zhang K, Hao J P, Zhang D Y, Zhu C, Li Y, Wang X F, Zhang H B 2014 Acta Phys. Sin. 63 134205 (in Chinese) [张利明, 周寿桓, 赵鸿, 张昆, 郝金坪, 张大勇, 朱辰, 李尧, 王雄飞, 张浩彬 2014 物理学报 63 134205]

    [7]

    Huang Z, Liang X, Li C, Lin H, Li Q, Wang J, Jing F 2016 Appl. Opt. 55 297

    [8]

    Carlson C G, Dragic P D, Price R K, Coleman J J, Swenson G R 2009 IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 15 451

    [9]

    Feng Y, Huang S, Shirakawa A, Ueda K 2004 Jpn. J. Appl. Phys. 43 722

    [10]

    Agrawal G P 2013 Nonlinear Fiber Optics (Fifth Edition) (New York: Academic) pp296-297

    [11]

    Dajani I, Vergien C, Robin C, Ward B 2013 Opt. Express 21 12038

    [12]

    Zhang L, Hu J, Wang J, Feng Y 2012 Opt. Lett. 37 4796

    [13]

    Zhang L, Cui S, Liu C, Zhou J, Feng Y 2013 Opt. Express 21 5456

    [14]

    Boggio J M C, Marconi J D, Fragnito H L 2005 IEEE J. Lightwave Technol. 23 3808

    [15]

    Qi Y F, Liu C, Zhou J, Chen W B, Dong J X, Wei Y R, Lou Q H 2010 Acta Phys. Sin. 59 3942 (in Chinese) [漆云凤, 刘驰, 周军, 陈卫标, 董景星, 魏运荣, 楼祺洪 2010 物理学报 59 3942]

    [16]

    Theeg T, Sayinc H, Neumann J, Kracht D 2012 IEEE Photon. Technol. Lett. 24 1864

    [17]

    Feng Y, Taylor L R, Calia D B, Holzlner R, Hackenberg W 2009 Frontiers in Optics San Jose, October 18-22, 2009 PDPA4

    [18]

    Su R T, Zhou P, Xiao H, Wang X L, Ma Y X, Si L, Xu X J 2012 Chinese Patent CN 102931574B (in Chinese) [粟荣涛, 周朴, 肖虎, 王小林, 马阎星, 司磊, 许晓军 2012 中国 发明专利 CN 102931574B]

    [19]

    Su R T, Zhou P, Wang X L, L H, Xu X J 2014 J. Opt. 16 015201

    [20]

    Runcorn T H, Murray R T, Kelleher E J, Popov S V, Taylor J R 2015 Opt. Lett. 40 3085

    [21]

    Vergien C, Dajani I, Zeringue C 2010 Opt. Express 18 26214

    [22]

    Zhang L, Jiang H, Cui S, Feng Y 2014 Opt. Lett. 39 1933

    [23]

    Boyd R W, Rzyzewski K, Narum P 1990 Phys. Rev. A 42 5514

  • [1] 刘占军, 郝亮, 项江, 郑春阳. 激光聚变中受激布里渊散射的混合模拟研究. 物理学报, 2012, 61(11): 115202. doi: 10.7498/aps.61.115202
    [2] 普小云, 杨 正, 江 楠, 陈永康, 戴 宏. 用激光增益获取弱增益拉曼模式的受激拉曼散射光谱. 物理学报, 2003, 52(10): 2443-2448. doi: 10.7498/aps.52.2443
    [3] 粟荣涛, 肖虎, 周朴, 王小林, 马阎星, 段磊, 吕品, 许晓军. 窄线宽脉冲光纤激光的自相位调制预补偿研究. 物理学报, 2018, 67(16): 164201. doi: 10.7498/aps.67.20180486
    [4] 刘 娟, 白建辉, 倪 恺, 景红梅, 何兴道, 刘大禾. 受激布里渊散射对激光在水中衰减特性的影响. 物理学报, 2008, 57(1): 260-264. doi: 10.7498/aps.57.260
    [5] 史久林, 许锦, 罗宁宁, 王庆, 张余宝, 张巍巍, 何兴道. 水中受激拉曼散射的能量增强及受激布里渊散射的光学抑制. 物理学报, 2019, 68(4): 044201. doi: 10.7498/aps.68.20181548
    [6] 邓 莉, 孙真荣, 林位株, 文锦辉. 亚10 fs激光脉冲产生中的受激拉曼散射与四波混频效应. 物理学报, 2008, 57(12): 7668-7673. doi: 10.7498/aps.57.7668
    [7] 张蕾, 董全力, 赵静, 王首钧, 盛政明, 何民卿, 张杰. 激光等离子体相互作用的受激拉曼散射饱和效应. 物理学报, 2009, 58(3): 1833-1837. doi: 10.7498/aps.58.1833
    [8] 汪胜晗, 李占龙, 孙成林, 里佐威, 门志伟. 激光诱导等离子体对水OH伸缩振动受激拉曼散射的影响. 物理学报, 2014, 63(20): 205204. doi: 10.7498/aps.63.205204
    [9] 普小云, 杨 睿, 王亚丽, 陈天江, 江 楠. 用染料激光增益降低二元混合物中少量化合物的受激拉曼散射可探测浓度. 物理学报, 2004, 53(8): 2509-2514. doi: 10.7498/aps.53.2509
    [10] 梁慧敏, 杜惊雷, 王宏波, 王治华, 罗时荣, 杨经国, 郑万国, 魏晓峰, 朱启华, 黄晓军, 王晓东, 郭 仪. 不同波长激光激发下C6H12受激拉曼散射模式竞争. 物理学报, 2007, 56(12): 6994-6998. doi: 10.7498/aps.56.6994
    [11] 张喜和, 王兆民, 万春明. 光纤-氮系统的受激拉曼散射. 物理学报, 2002, 51(6): 1251-1255. doi: 10.7498/aps.51.1251
    [12] 吕志伟, 王晓慧, 林殿阳, 王 超, 赵晓彦, 汤秀章, 张海峰, 单玉生. KrF激光受激布里渊散射反射率稳定性的研究. 物理学报, 2003, 52(5): 1184-1189. doi: 10.7498/aps.52.1184
    [13] 王春灿, 张 帆, 童 治, 宁提纲, 简水生. 大功率单频多芯光纤放大器中抑制受激布里渊散射的分析. 物理学报, 2008, 57(8): 5035-5044. doi: 10.7498/aps.57.5035
    [14] 李雪健, 曹敏, 汤敏, 芈月安, 陶洪, 古皓, 任文华, 简伟, 任国斌. M型少模光纤中模间受激布里渊散射特性及其温度和应变传感特性. 物理学报, 2020, 69(11): 114203. doi: 10.7498/aps.69.20200103
    [15] 刘雅坤, 王小林, 粟荣涛, 马鹏飞, 张汉伟, 周朴, 司磊. 相位调制信号对窄线宽光纤放大器线宽特性和受激布里渊散射阈值的影响. 物理学报, 2017, 66(23): 234203. doi: 10.7498/aps.66.234203
    [16] 魏巍, 张霞, 于辉, 李宇鹏, 张阳安, 黄永清, 陈伟, 罗文勇, 任晓敏. 高非线性微结构光纤中基于受激布里渊散射的慢光延迟. 物理学报, 2013, 62(18): 184208. doi: 10.7498/aps.62.184208
    [17] 郑狄, 潘炜. 非线性光纤环镜在受激布里渊散射慢光级联系统中的可行性研究. 物理学报, 2011, 60(6): 064210. doi: 10.7498/aps.60.064210
    [18] 王涛, 杨旭, 刘晓斐, 雷府川, 高铭, 胡蕴琪, 龙桂鲁. 基于回音壁微腔拉曼激光的纳米粒子探测. 物理学报, 2015, 64(16): 164212. doi: 10.7498/aps.64.164212
    [19] 王志辉, 田亚莉, 李刚, 张天才. 用于铯原子内态操控的双光子拉曼激光的产生及应用. 物理学报, 2015, 64(18): 184209. doi: 10.7498/aps.64.184209
    [20] 吴彬, 程冰, 付志杰, 朱栋, 邬黎明, 王凯楠, 王河林, 王兆英, 王肖隆, 林强. 拉曼激光边带效应对冷原子重力仪测量精度的影响. 物理学报, 2019, 68(19): 194205. doi: 10.7498/aps.68.20190581
  • 引用本文:
    Citation:
计量
  • 文章访问数:  947
  • PDF下载量:  95
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2017-12-18
  • 修回日期:  2018-02-24
  • 刊出日期:  2018-08-05

窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的理论模型和数值分析

  • 1. 中国科学院软件研究所, 北京 100190;
  • 2. 国防科技大学前沿交叉学科学院, 长沙 410073;
  • 3. 大功率光纤激光湖南省协同创新中心, 长沙 410073
  • 通信作者: 粟荣涛, surongtao@126.com
    基金项目: 

    国家自然科学基金(批准号:61705265,61705264)、中国博士后科学基金(批准号:2017M620070)和国家重点研发计划(批准号:2017YFF0104603,2016YFB0402204)资助的课题.

摘要: 窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器在非线性频率变换、遥感探测和量子信息等领域有广泛的应用前景.综合考虑受激拉曼散射(stimulated Raman scattering,SRS)、受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering,SBS)、自相位调制(self-phase modulation)和交叉相位调制(cross-phase modulation)等非线性效应,建立了窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的非线性动力学模型.仿真分析了放大器中脉冲激光的时频演化特性,对比研究了抽运脉冲宽度、光纤长度和信号光功率等因素对放大器性能的影响.研究发现,上述因素会影响放大器的SRS阈值、SBS阈值、输出激光线宽、激光转换效率等.例如,当脉冲宽度为800 ns时,SBS随着抽运功率的增加而发生,限制了激光功率的提升;减短抽运脉宽可以抑制SBS,但是输出激光的线宽易于展宽到数百MHz以上;增加光纤长度可以获得更低的SRS阈值和更高的转换效率,但是SBS效应和光谱展宽程度也随之增强.系统搭建中需要平衡各非线性效应,选择合适的系统参数.研究内容可以为窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的设计搭建提供参考.

English Abstract

参考文献 (23)

目录

    /

    返回文章
    返回