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摘要

被动锁模光纤激光器腔内色散对输出孤子特性的影响研究

被动锁模光纤激光器由于其结构紧凑、成本低、稳定性高、脉冲持续时间

短，在科学研究和工业生产中得到越来越广泛的应用。被动锁模光纤激光器输

出的孤子脉冲是光纤的色散效应和非线性效应共同作用的结果。色散效应指的

是光脉冲在光纤中传输时其不同频率成分分量以不同的速度传播。其中，群速

度色散是导致脉宽展宽的重要因素；三阶色散会导致脉冲时域轮廓及光谱不对

称、压缩或展宽脉冲、导致脉冲混沌；四阶色散可以使孤子具有更为平坦的光

谱中心、产生高能的纯四次孤子。研究人员一直致力于研究色散效应对孤子脉

冲特性的影响。

本文首先介绍了锁模光纤激光器的研究背景和基本理论。研究背景部分，

将锁模光纤激光器按照锁模方式分为主动锁模光纤激光器和被动锁模光纤激光

器两大类，分别介绍了其实现技术及研究现状。理论部分研究了光纤的色散效

应、非线性效应、光脉冲传输方程及非线性薛定谔方程的建立过程。

本文的主要工作是对被动锁模光纤激光器输出孤子脉冲特性进行数值仿真，

研究色散效应对于孤子特性的影响。首先，研究群速度色散对被动锁模光纤激

光器输出孤子特性的影响。通过改变色散补偿光纤的长度，将腔内群速度色散

分别调节在正群速度色散区域和负群速度色散区域。在这两种不同的色散区域

内研究群速度色散对脉冲宽度、单脉冲能量、脉冲峰值功率的影响。在正群速

色散、负群速度色散区域内，群速度色散均可展宽脉冲的脉宽。随后研究了两

种色散情况下小信号增益及增益饱和能量对孤子特性的影响。

随后，探索三阶色散对被动锁模光纤激光器输出孤子脉冲特性的影响。通

过调节光纤的三阶色散值，分析不同三阶色散值下孤子特性。时域方面，三阶

色散导致脉冲形状发生畸变，脉冲时域轮廓不对称，时域偏移等现象。光谱方

面，三阶色散导致边带位置及强度发生变化。

最后，研究了四阶色散对被动锁模光纤激光器输出孤子脉冲特性的影响。

分析脉冲时域演化图及光谱图，四阶色散可以展宽脉宽，影响光谱边带强度。

在腔内存在四阶色散的情况下，研究了不同饱和能量对脉冲峰值功率以及单脉

冲能量的影响。随着饱和能量不断增大，自相位调制和四阶色散导致的相位分

I

布不匹配，导致了脉冲时域轮廓不对称。最后研究腔内净二阶色散、净三阶色

散对四次孤子特性的影响。此外，研究发现改变不同位置的光纤，四次孤子的

光谱和时域演化并非完全相同，四次孤子的峰值功率和单脉冲能量存在很大差

异。

本文构建了被动锁模光纤激光器的理论模型，通过数值仿真从时域和频域

两个方面研究了群速度色散及高阶色散对输出孤子特性的影响。论文关于被动

锁模光纤激光器腔内色散对输出孤子特性的研究，对被动锁模光纤激光器产生

高质量的孤子脉冲，以及孤子脉冲的稳定传输有一定的指导意义。

关键词：

锁模光纤激光器，群速度色散，高阶色散，脉冲特性，光谱边带

II

ABSTRACT

Studyontheinfluenceofdispersiononoutputsoliton

characteristicsinpassivelymode-lockedfiberlaser

Passivelymode-lockedfiberlasersareincreasinglywidelyusedinscientific

researchandindustrialproductionduetotheircompactstructure,lowcost,high

stability,andshortpulseduration.Theoutputsolitonpulseofpassivelymode-locked

fiberlasersistheresultofdispersioneffectandnonlineareffectofopticalfibers.

Dispersioneffectreferstothedifferentfrequencycomponentsofopticalpulse

propagatingatdifferentspeeds