Peregrine怪波在非线性光纤系统中传输特性及应用研究
怪波最早是发现在海洋中的一种奇特的自然现象，其相关理论在海洋波动理论中得到了广泛的研究。描述深水波的模型是非线性薛定谔方程，该方程中的有理分式解刻画了怪波的性质。即具有时间和空间的局域化特性，同时展现出强的时间压缩和峰值功率的增加。这种高振幅的特性引起了人们在不同领域内对怪波的关注和研究。目前对怪波的研究主要有两个方面，一方面是在不同模型下对怪波精确解的求解，另一方面是在实验上产生怪波。概括来讲，对怪波精确解的研究从标量模型扩展到耦合模型，从基本模型发展到高阶体系的建立。怪波精确解的研究进一步揭示了怪波的本质和特性，不仅从理论上证实了怪波的存在，更为实验上产生怪波奠定了理论基础。 通过将光学中极大波和海洋中怪波的类比，使在光学实验平台上探究这种极端行为的动力学特性成为可能，反过来可以促进其他领域对怪波的研究和探索。近年来怪波相关理论在光纤系统中展开了深入的研究，从实验上产生了怪波。这些研究对实现怪波在光学中的应用提供了重要的参考价值。 本论文主要以（高阶）非线性薛定谔方程为模型，研究光纤中适当初始条件激发下高功率脉冲的产生及其稳定传输问题。基于怪波产生机制，实现了光脉冲尤其是超短脉冲的直接放大和整形。这些研究结果进一步丰富了怪波在光纤中的研究内容，也为长距离、高容量、超快全光技术的现代光通信提供重要的理论指导。本论文主要内容包括以下三个方面: 1.主要研究了高功率脉冲串的产生及稳定传输。从高功率单脉冲的产生引入高功率脉冲串的产生。首先以可积的Hirota方程为模型，分别以弱周期与强周期调制的平面波作为初始激发，研究了高功率脉冲串的产生。研究结果表明从最大压缩位置处提取的脉冲，利用延迟线干涉仪的方法消除背景后，能够稳定传输。接着将此方法拓展到一般的不可积的高阶非线性薛定谔方程，存在喇曼效应下对高功率脉冲串的影响进行了讨论。另外，在两种初始条件下，调制强度对产生的高功率脉冲串的最大压缩位置、峰值功率、频谱偏移等参量的影响进行了分析讨论。最后考虑在实际光纤中传输，分析了光纤损耗对高功率脉冲串传输过程中的影响。 2.当光脉冲在实际光纤中传输时，需要考虑损耗。在损耗的影响下光脉冲幅值减少，需要放大以实现长距离传输。基于Peregrine怪波的产生机制，提出了一种新的实现光放大器的方法。首先讨论了基于怪波的产生机制实现光放大器的理论基础。基于此理论基础，以标准薛定谔方程为模型，实现了入射光孤子的放大和整形。研究结果表明，平面波泵浦与频谱过滤器相结合，能够实现光放大器的功能。调整频谱过滤器的位置，能够获得具有不同峰值功率的零背景脉冲。最后为了实现了光孤子的周期放大以实现其长距离传输，以四级放大器为例，通过平面波周期泵浦，实现了入射光孤子的周期放大，并讨论了存在噪音的情况下周期放大的实现。进一步验证了该放大器的可行性。 3.将第四章的研究结果扩展到高阶非线性薛定谔方程。当入射光脉冲为飞秒量级的超短脉冲，需要考虑高阶效应对飞秒脉冲的影响。利用第四章提出的平面波泵浦与频谱过滤器相结合的方法，实现了飞秒脉冲的直接放大，进一步验证了该放大器的优势。接着讨论了高阶效应对放大器性能的影响，研究结果表明喇曼效应的存在不会影响光脉冲放大的实现，但会使得放大脉冲和整形脉冲在时域内偏移，喇曼效应越大，偏移越大。最后仍然以四级放大器为例，实现了飞秒脉冲的周期放大以实现光孤子的长距离传输。
非线性光纤系统;Peregrine怪波;高功率脉冲串;传输特性;非线性薛定谔方程
山西大学
博士
理论物理
李禄
2017
中文
O436
106
2018-07-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）