基于耗散过程的四波混频理论及应用研究

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四波混频是一种重要的非线性效应,被广泛地应用于光学参量放大、全光波长转换、全光信号处理等领域。四波混频的效率受相位匹配条件的限制,可以通过设置作用光之间的波长关系来满足相位匹配,但这限制了系统的带宽。准相位匹配可以打破相位匹配条件的限制,但是常用的准相位匹配方法由于需要定量的补偿相位失配,其普适性不足,在无法预估相位失配量时,可能不再适用。近些年来,“从损耗中获得增益”的想法被广泛研究,该方案通过对闲频光引入损耗,改善信号光获得的增益。分布式损耗被证明可以改变相位匹配条件,但分布式损耗的引入在实现过程中面临许多困难,作为补充,本论文提出了用分段式衰减代替均匀衰减的集中式损耗方案,并证明它是一种简单且具有普适性的准相位匹配方法。本文从四波混频的模型出发,采用解析法分析各个参数对四波混频过程的影响,结合数值仿真分析了耦合模方程和非线性薛定谔方程的特性与适用范围。接着揭示了分布式损耗和集中式损耗的原理,并研究了损耗对系统的影响,发现引入损耗可以改变相位匹配条件,提高系统的带宽,且损耗越大带宽越大,在大功率放大时还可以提高增益,并用实验验证了基于引入集中式损耗的准相位匹配方法,在正常色散区和反常色散区将增益谱的3d B-带宽分别由22nm和8nm扩大到了60nm和35nm。最后,基于引入损耗可以改善相位匹配条件的特性,研究了该方案的几种应用,在有零色散点抖动的系统中,损耗的引入增加了系统稳定性的同时扩大了带宽;对信号光引入损耗可以实现宽谱波长转换;该方案还可以用于改善差频效应的相位匹配条件。
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