强泵浦下的光纤随机激光特性研究

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随机激光是无序光波导介质中的受激辐射现象,它形成于随机介质中光波的多重散射放大。与传统激光器不同,随机激光的反馈来源于增益介质中的光散射而不是通常的谐振腔,当谐振腔内的总增益大于总损耗时便激发产生激光。自从Letokhov首次对其进行了理论研究以来,随机激光便因其自身特性及广阔的潜在应用前景而得到了人们的广泛关注。与传统随机激光器相比,随机分布反馈光纤激光器具有输出相对稳定、长距离辐射及宽波长可调谐等特性,这些均有利于光纤通信与光纤传感的相关应用。而且随机光纤激光是一种新型的基于瑞利散射分布反馈的一维随机激光。由于光纤介质结构的不均匀性导致的瑞利散射很微弱,使得随机分布反馈光纤激光器的产生机理和特性与传统随机激光器和传统光纤激光器均不相同。对于随机光纤激光的研究尚处初级阶段,理论发展和特性研究还不十分完善。本文主要从理论模型、数值仿真和实验三方面对随机光纤激光的功率分布、泵浦阈值和转换效率等特性进行研究。首先利用速率方程理论研究了随机激光,以中间泵浦为例,介绍随机分布反馈光纤激光器的理论模型并求解其阈值。然后本文从数值仿真上研究了对称和不对称端面反馈单模光纤的随机激光特性,数值仿真模型包括中间泵浦、单端泵浦和双端泵浦三种泵浦方式,并进一步探讨了泵浦波长对激光特性的影响。在随机激光数值仿真过程中,建立了泵浦光和随机激光稳态传输方程,其中引入了拉曼增益、瑞利散射和光纤损耗的影响,仿真模型利用打靶法求解。结果表明,不同泵浦方式下光功率沿光纤分布不同,可通过优化光纤长度来提高输出光功率;激光阈值随着不同的泵浦方式而变化。由于分布式瑞利反馈和端面反馈的共同作用,在特定光纤长度范围内,随着光纤长度的增加激光阈值降低;并且激光阈值很大程度上依赖于泵浦方式和端面反馈。当光纤长度较短时,由于瑞利反馈较弱,随机激光阈值会变大、转换效率变低。最后以单端泵浦为例,对光纤随机激光器进行了实验研究。结果表明:在光纤一端引入强反馈会改变光功率分布和显著降低激射阈值;与1365泵浦相比,1480泵浦下泵浦阈值较低转换效率较高。实验结果与数值仿真基本一致。作为一种重要的新型光源,随机分布反馈光纤激光器将在非线性光学、光通信和传感等领域获得较大的应用。同时,它也为非线性光学、激光物理及混沌理论等众多交叉学科提供了一个理想的研究对象,因而具有重要的理论和现实意义。本论文的研究为认识随机光纤激光器的工作特性及其设计与优化提供了依据。
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