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基于孤子自频移效应的超短脉冲波长连续调谐

光电技术应用 2023年第1期38卷 28-35页

作者：张永宁刘政陈科亦王毕艺丁宇赵万利光电信息控制和安全技术重点实验室天津中国人民解放军93046部队沈阳

作为光纤非线性效应中的一种,孤子自频移效应由于其特殊的脉冲自持性而成为光纤中超短脉冲波长调谐的有效方式。从理论计算和实验验证角度对光纤中的孤子自频移效应进行研究,基于广义非线性薛定谔方程对光纤中的孤子自频移效应进行仿真... 详细信息

作为光纤非线性效应中的一种,孤子自频移效应由于其特殊的脉冲自持性而成为光纤中超短脉冲波长调谐的有效方式。从理论计算和实验验证角度对光纤中的孤子自频移效应进行研究,基于广义非线性薛定谔方程对光纤中的孤子自频移效应进行仿真计算,通过测量超短脉冲在保偏光子晶体光纤输出端的光谱对其进行实验分析,理论和实验结果相符合,均表明基于孤子自频移效应的超短脉冲波长可以实现大于300 nm的光纤反常色散区连续调谐。

关键词：孤子自频移超短脉冲波长调谐光子晶体光纤

1700 nm波段超快光纤光源开发及其在多光子成像中的应用

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激光与光电子学进展 2024年第12期 11-28页

作者：仝申钟金成陈新林邱娉王科深圳大学物理与光电工程学院光电子器件与系统教育部/广东省光电子器件与系统重点实验室徐州医科大学医学信息与工程学院中国科学院大学温州研究院

多光子成像在生物医学特别是脑科学研究中应用广泛，为深层生物组织结构及动力学研究提供了非侵入性和非破坏性的成像手段。生物组织的吸收和强散射特性限制了成像深度。近年来，得益于原理及技术上的进步，多光子成像在活体生物中的成... 详细信息

多光子成像在生物医学特别是脑科学研究中应用广泛，为深层生物组织结构及动力学研究提供了非侵入性和非破坏性的成像手段。生物组织的吸收和强散射特性限制了成像深度。近年来，得益于原理及技术上的进步，多光子成像在活体生物中的成像深度显著提高。其中，1700 nm波段激发的多光子成像显著降低组织吸收及散射，与其他激发波段相比获得了目前最大的成像深度。本文首先介绍多光子显微成像原理，并利用孤子自频移效应构建1700 nm波段飞秒脉冲光源。在此基础上，介绍1700 nm波段多光子成像在活体小鼠脑部、皮肤结构，以及血流动力学成像中的应用。最后总结分析1700 nm波段激发多光子成像目前遇到的挑战和未来发展方向。

关键词：多光子显微成像孤子自频移 1700 nm波段脑成像皮肤成像

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基于孤子自频移的全光ADC基础研究

基于孤子自频移的全光ADC基础研究

作者：王舒冰电子科技大学

学位级别：硕士

模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)在高速宽带通信系统、远距离高精度雷达、医学成像、图像处理等领域有着广泛应用。全光ADC从根本上杜绝了电子ADC“电子瓶颈”的问题,也减少了电、光信号之间相互转换所引入的噪声,此外,与... 详细信息

模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)在高速宽带通信系统、远距离高精度雷达、医学成像、图像处理等领域有着广泛应用。全光ADC从根本上杜绝了电子ADC“电子瓶颈”的问题,也减少了电、光信号之间相互转换所引入的噪声,此外,与电子ADC相比,全光ADC具有采样速率高、模拟带宽大的优势。因此,研究高性能的全光ADC具有重要科学意义和应用价值。本文对基于孤子自频移的全光ADC进行了详细的研究,重点围绕高精度光学量化和快速光学编码展开研究工作。论文的主要研究内容如下:(1)研究孤子自频移理论,并将其用于全光量化。建立基于孤子自频移全光量化的物理模型,对系统进行仿真,并对具有不同非线性系数的高非线性光纤的孤子自频移效果进行了对比。为了提高量化精度,利用基于“单模光纤-高非线性光纤”的光纤结构对自频移后的光脉冲进行光谱压缩,并通过仿真和实验进行验证。研究表明:当脉冲内啁啾完全补偿时,脉冲达到最佳压缩效果,从而使量化精度提高。(2)研究了一种三级双向“单模光纤-高非线性光纤”周期梳状分布式光纤结构用于光谱压缩,并通过实验对其压缩效果进行验证。在实验中获得11.58倍的总压缩倍数和5.99 bits的量化精度,相比于压缩前,量化精度提高了2.25 bits,该结构在显著降低系统复杂度的同时大幅度地提高了量化精度。并对多级光谱压缩结构进行研究,结果表明:多级光谱压缩存在压缩饱和现象,不能通过无限制地增加压缩结构的级数来提高系统量化精度。(3)提出一种基于多个并行Sagnac环滤波器的光学编码新方法,该方法具有结构简单、工作波长范围大和编码位数高的优势。将其用于孤子自频移全光ADC的光学编码。通过仿真在108.8 nm波长范围内实现了5 bits编码,通过实验在50 nm波长范围内实现了3 bits编码,相比于可编程滤波器,工作波长范围提高了5倍。

关键词：模数转换器微波光子学孤子自频移光谱压缩光学编码

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基于级联型光纤的孤子自频移增强特性

光子学报 2017年第8期46卷 87-91页

作者：楼洋魏一振浙江大学光电科学与工程学院光及电磁波研究中心杭州310058

设计了一种10m掺铥光纤级联于3m大模场光子晶体光纤末端的结构,利用400fs、1 550nm脉冲光产生孤子自频移,在入射光功率相同的情况下,掺铥光纤末端的孤子频移量比大模场光纤末端多100~150nm,平均多30%左右.孤子与泵浦光在掺铥光纤末端的... 详细信息

设计了一种10m掺铥光纤级联于3m大模场光子晶体光纤末端的结构,利用400fs、1 550nm脉冲光产生孤子自频移,在入射光功率相同的情况下,掺铥光纤末端的孤子频移量比大模场光纤末端多100~150nm,平均多30%左右.孤子与泵浦光在掺铥光纤末端的输出光谱表明,残留泵浦光作用于Tm3+,在1.8~2.1μm范围产生受激辐射,从而增强了拉曼效应,导致孤子自频移增强.实验结果揭示了一种增强孤子自频移效应的方法,对于了解孤子在光纤中频移特性和提高基于孤子自频移的可调谐光源的调谐范围等具有参考意义.

关键词：非线性光学可调谐光源级联光纤孤子孤子自频移增强效应

基于孤子自频移效应的中红外波长可调谐光纤激光研究

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基于孤子自频移效应的中红外波长可调谐光纤激光研究

作者：胡竹电子科技大学

学位级别：硕士

随着光纤领域的快速发展,宽带波长可调谐的光纤激光具备了结构紧凑、成本低廉、易调控等优点,成为了激光领域的研究热门。获得波长可调谐的技术手段很多,本文采用了最具发展前景的方案,即利用光纤中产生的孤子自频移(SSFS)效应,实现了... 详细信息

随着光纤领域的快速发展,宽带波长可调谐的光纤激光具备了结构紧凑、成本低廉、易调控等优点,成为了激光领域的研究热门。获得波长可调谐的技术手段很多,本文采用了最具发展前景的方案,即利用光纤中产生的孤子自频移(SSFS)效应,实现了中红外波长可调谐的拉曼孤子激光,并对该激光进行了细致研究。本文的主要工作内容如下:1.在总结了色散和非线性等物理效应的基础上,推演了光在光纤介质中的传输方程,并采用龙格-库塔法求解了广义非线性薛定谔方程。进一步分析了拉曼SSFS效应的形成机制,通过数值模拟的方式分别研究了泵浦源峰值功率、激光脉冲宽度和光纤长度这三个核心参数对SSFS现象产生的具体影响。2.在理论研究的基础上,首先搭建了由锁模脉冲光纤激光器和掺铥放大系统组成的全光纤拉曼孤子脉冲激光器。该拉曼孤子激光器将具有强Kelly边带的传统孤子脉冲作为信号光,通过单纯地提升放大系统的泵浦功率,促使掺铥光纤中SSFS效应的不断增强,实现了波长调谐范围为1953.1328.4 nm的拉曼孤子激光输出。当拉曼孤子的中心波长处于2194.3 nm时,孤子脉冲宽度达到最小值为471 fs。为了进一步分析Kelly边带强度对SSFS现象的具体影响,实验选用了特定滤波周期的里奥滤波器,对传统孤子脉冲的Kelly边带进行了有效抑制。弱Kelly边带的孤子脉冲作为信号光传输至同一掺铥放大系统中,通过增加泵浦功率,产生了波长调谐范围在1953.1375.3 nm的拉曼孤子激光。当拉曼孤子红移至2240.6 nm处,脉冲时域宽度达到最窄的状态即381 fs。通过有效抑除孤子脉冲的Kelly边带,可以提升脉冲自身的峰值功率,增强光纤中产生的SSFS效应,实现更大的波长频移量和孤子能量,获得时域宽度较窄的飞秒脉冲。3.通过在传统孤子脉冲激光器腔内加入色散补偿光纤,实现了近零色散的耗散孤子脉冲激光输出。该锁模激光器产生了中心波长为1940.7 nm的耗散孤子脉冲,光谱带宽为36.4 nm,能够很好的覆盖掺铥光纤的拉曼增益谱。脉冲的时域宽度可达飞秒量级(279 fs),最大输出功率为18 mW。耗散孤子脉冲作为信号光输入掺铥放大系统,形成了波长可调谐的拉曼孤子激光器。通过增加系统的泵浦功率,掺铥光纤中产生了非常强的SSFS效应,最终获得了中心波长在1940.7400nm范围连续调谐的拉曼孤子激光,脉冲宽度最窄可达364 fs。

关键词：波长调谐非线性孤子自频移克利边带中红外

基于孤子自频移的全光模数转换中量化及编码方法研究

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基于孤子自频移的全光模数转换中量化及编码方法研究

作者：杨秋临北京邮电大学

学位级别：硕士

全光模数转换是利用光作为载体对信号进行处理的方法,可以解决电子瓶颈问题,现在受到人们的广泛关注。根据量化方式的不同,全光模数转换被分为三类:幅度量化,相位量化以及频率量化。幅度量化具有原理简单、系统成熟的特点,用的较多。随... 详细信息

全光模数转换是利用光作为载体对信号进行处理的方法,可以解决电子瓶颈问题,现在受到人们的广泛关注。根据量化方式的不同,全光模数转换被分为三类:幅度量化,相位量化以及频率量化。幅度量化具有原理简单、系统成熟的特点,用的较多。随着非线性光学的发展,利用光学非线性效应的全光模数转换方法被提出来,以孤子自频移为代表的频率量化模数转换方法成为研究的热点之一。相对于幅度和相位量化,其具有更高的频带利用率,更好的全光编码性能。为了进一步优化现有的孤子自频移量化及编码方案,提升全光模数转换系统性能,本文进行了如下的研究工作:1.为了提高全光模数转换编码精度,设计了一种新型的定向耦合器和全光编码器。定向耦合器中采用对称和非对称的波导结构,可以控制光信号在波导中传输过程中的相位,实现宽带波长范围内的定向耦合。通过数值计算给出了波导尺寸、信号波长与耦合比例的关系。设计了基于该定向耦合器的编码器并应用于孤子自频移全光模数转换系统中,仿真分析表明,在100nm的波长范围内耦合比例波动范围低于7dB,最高能为系统减小24.3%的强度误差,编码器的总长度小于100 μ m。2.提出了一种新型的基于孤子自频移效应的全光量化和编码系统方案,该方案采用频率和幅度两种方法对信号进行级联量化,并设计新的编码方法实现模数转换效果。此方案可使现有的基于孤子自频移效应的全光量化系统的有效量化分辨率得到1.5bit的提升。仿真得到了该系统的量化传递函数,其积分非线性和微分非线性误差控制在±0.5LSB的范围内。并分析了噪声、误码和量化误差等因素对系统性能的影响。

关键词：宽带定向耦合器全光编码器孤子自频移二维全光量化全光模数转换

空心光纤孤子自频移研究及其在多光子成像中的应用

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空心光纤孤子自频移研究及其在多光子成像中的应用

作者：甘梦瑶深圳大学

学位级别：硕士

1700 nm波段多光子成像因具有毫米量级穿透深度、亚微米量级空间分辨率、三维成像能力、动力学追踪、功能性成像及无损伤成像等优势而备受关注,广泛应用于脑科学及活体组织深层成像研究。其成像深度受限的主要原因之一为激发光能量耗尽... 详细信息

1700 nm波段多光子成像因具有毫米量级穿透深度、亚微米量级空间分辨率、三维成像能力、动力学追踪、功能性成像及无损伤成像等优势而备受关注,广泛应用于脑科学及活体组织深层成像研究。其成像深度受限的主要原因之一为激发光能量耗尽,而现有棒状光子晶体光纤光源能量已达上限,因此构建更加高能的激光装置极为必要。空心光纤低损耗、极低非线性特征使其能够支持更高能飞秒孤子脉冲,本文开展空心光纤孤子自频移实验及数值模拟研究,将其应用于多光子成像,并同棒状光子晶体光纤光源进行对比成像实验,旨在为1700 nm波段深层成像提供新的光源解决方案。本论文的主要工作如下:(1)构建并优化空心光纤孤子产生装置,在此基础上提出提升孤子稳定性的策略,并开展了空心光纤中孤子自频移实验研究以及对孤子脉冲参数的详尽实验表征。演示了其孤子自频移,得到波长1563 nm到1605 nm,具有42 nm可调谐范围高能飞秒孤子脉冲,其孤子单脉冲能量高达503 n J,是棒状光子晶体光纤的5.2倍,但具有脉宽过宽的缺点。(2)将上述高能飞秒激光装置应用到多光子成像,开展以空心光纤和棒状光子晶体光纤孤子光源为激发光源的三光子对比成像实验,得到染料的三光子荧光成像和小鼠头骨细胞三次谐波成像结果。结果表明,当以相似功率激发,空心光纤孤子光源比棒状光子晶体光纤孤子光源激发所产生的荧光信号小一个数量级,同时,需要3倍于棒状光子晶体光纤的激发功率才能达到相当的谐波信号水平。此实验填补了空心光纤孤子自频移技术在第三光学透明窗口成像的研究空白,对比分析了目前最适合三光子成像的光源特征。(3)开展空心光纤孤子自频移的数值模拟研究,得到同实验结果符合的孤子自频移模拟结果,以及需要9.2 m光纤长度才能产生相应孤子的结论。当以100 fs、200 fs、500 fs输入脉宽模拟实验,得到输出孤子脉宽分别为337 fs,336 fs和333 fs,否定了空心光纤孤子脉宽大幅减小的可能,并结合成像结果以及生物样品损伤功率阈值,进一步确定了棒状光子晶体光纤光源装置仍是现阶段三光子成像最佳光源。

关键词：多光子显微成像空心光纤孤子自频移高能飞秒脉冲

基于孤子自频移效应的超短脉冲光源及特性研究

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基于孤子自频移效应的超短脉冲光源及特性研究

作者：楼洋浙江大学

学位级别：硕士

孤子自频移(SSFS)是由光纤内拉曼散射效应产生的一种高阶非线性现象,使光脉冲中高频分量作为泵浦光将能量传递给低频分量,导致光孤子中心波长连续地往长波长方向移动,而单位长度自频移量与入射光脉宽、光纤色散、光纤拉曼增益等有关。... 详细信息

孤子自频移(SSFS)是由光纤内拉曼散射效应产生的一种高阶非线性现象,使光脉冲中高频分量作为泵浦光将能量传递给低频分量,导致光孤子中心波长连续地往长波长方向移动,而单位长度自频移量与入射光脉宽、光纤色散、光纤拉曼增益等有关。这种现象提供了一种波长转换机制,即通过改变入射光功率可以得到波长连续可调的脉冲光输出。本文主要研究了基于干涉自相关仪的超短脉冲测量方法和基于孤子自频移的2μm波段可调谐超短脉冲光源,提出了一种增强孤子自频移最大频移量的有效手段。文章开始讨论了孤子自频移效应在可调谐激光器、光模数转换器、光延迟器的应用情况,分析了国内外基于孤子自频移效应的可调谐激光器的发展现状和趋势,总结了目前几种主要的增强孤子自频移效应的方法,然后提出了本文的研究内容和创新点。在总结了超短脉冲的测量方法的基础上,利用MATLAB对干涉自相关法进行了数值模拟,分析了不同初始啁啾量下超短脉冲的干涉自相关信号(IAC),并设计和制作了自相关仪,测量特定激光器的脉宽,得到了较好的准确度。然后阐述了光纤中的光孤子和孤子自频移的理论,并基于MATLAB采用分步傅里叶算法对非线性薛定谔方程(NLSE)进行了数值模拟,得到并讨论了孤子阶数和高阶色散对光纤中光孤子传输的影响,和孤子自频移效应与色散系数、孤子阶数和脉宽的关系。考察了 1.55μm脉冲泵浦大模场光子晶体光纤LMA25得到的光孤子波长的调谐特性。用自相关仪测量1.83μm处的光孤子,得到脉宽为131fs,调整入射光功率,可以得到1.6-2.1μm的波长调谐范围。通过将掺铥光纤TDF级联在LMA25光纤后面,可以实现2.014-2.172μm的可调谐超短脉冲光源,相比于LMA25中的情况,这种级联结构使孤子最大频移量增加了 100-160nm不等。进一步研究认为,Tm3+吸收了残留的1.55μm泵浦光,在1.9μm波段产生了受激辐射,增强了拉曼效应,从而孤子获得了额外频移量。

关键词：超短脉冲自相关测量光孤子孤子自频移可调谐光源

超快掺铒光纤激光器及新波段超短脉冲的孤子自频移产生

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超快掺铒光纤激光器及新波段超短脉冲的孤子自频移产生

作者：方潇上海交通大学

学位级别：硕士

近年来光纤激光器在许多领域得到了广泛的应用,而超快光纤激光器中的物理现象也得到了深入的研究。同时超快光纤激光器仍在进一步拓宽其应用领域,目前的研究热点主要包括提高超快光纤激光器的各项性能指标和实现性的波段。本文以非线性... 详细信息

近年来光纤激光器在许多领域得到了广泛的应用,而超快光纤激光器中的物理现象也得到了深入的研究。同时超快光纤激光器仍在进一步拓宽其应用领域,目前的研究热点主要包括提高超快光纤激光器的各项性能指标和实现性的波段。本文以非线性偏振旋转锁模技术与孤子自频移技术为基础,搭建了耗散孤子锁模光纤激光器,并利用锁模激光器产生的超短脉冲泵浦色散位移光纤,高效地产生了1.7μm超快激光脉冲,实现了可应用于生物医学或者在通信领域拓宽信道的超快激光器光源。围绕着这些技术进行了实验和理论工作。1.介绍了超快光纤激光器及相关技术的发展现状、研究热点和应用前景。2.在常规光纤的相关理论的基础上,分析了光纤中脉冲传输的模式理论及广义非线性薛定谔方程的推导。数值模拟了耗散孤子光纤激光器,并验证了我们的模型对于分析孤子自频移现象的可行性。3.介绍了通过锁模技术产生超短脉冲的原理以及光纤激光器中常的被动锁模方式,首先搭建并优化了用于产生新波段激光的泵浦光源锁模激光器。腔内净色散为正的锁模激光器能够输出稳定的大能量超短脉冲,脉冲的中心波长在1.6μm波段,脉冲宽度为95 fs。4.演示一种工作在1.70-1.74μm波段的飞秒脉冲光源,主要通过1.6μm的超快光纤激光器作为泵浦并利用了发生在常见商用色散位移光纤中的孤子自频移现象。激光器输出亚200 fs、0.7 nJ的激光脉冲,同时转换效率高于76%。不仅如此这个基于SSFS的激光光源是全光纤结构,还有着超短的脉宽。这些能让我们得到低成本和易维护的1.7μm激光光源,保证了它的应用推广。本文主要研究了基于非线性偏振旋转技术的超快掺铒光纤激光器,并通过孤子自频移产生了1.7μm波段的飞秒脉冲,有望应用于生物光学成像等领域。

关键词：光纤激光器脉冲激光器超快激光器孤子自频移