微結(jié)構(gòu)光纖端面信息提取及超短脈沖傳輸特性研究.pdf

1、微結(jié)構(gòu)光纖由于其靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而具有優(yōu)異的非線性特性及高度可調(diào)的色散特性，開(kāi)啟了非線性光纖光學(xué)研究領(lǐng)域的新篇章。但是，在制作過(guò)程中由于受到重力、拉絲溫度、拉絲速度特別是溫度場(chǎng)分布不均勻等因素的影響，微結(jié)構(gòu)光纖端面往往出現(xiàn)不規(guī)則空氣孔塌縮或位置偏移等問(wèn)題，對(duì)具有這種不規(guī)則結(jié)構(gòu)光纖進(jìn)行建模模擬傳統(tǒng)技術(shù)顯得力不從心，這也給獲取微結(jié)構(gòu)光纖特性參數(shù)、進(jìn)一步揭示激光脈沖在微結(jié)構(gòu)光纖中傳輸?shù)姆蔷€性機(jī)理帶來(lái)了極大的困難。本文提出了一套基于數(shù)字圖像處理技

2、術(shù)的端面信息提取、處理、建模的一體化方案，可有效提供完全忠于實(shí)物特征的微結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)建模；在此基礎(chǔ)上對(duì)實(shí)驗(yàn)室制備的微結(jié)構(gòu)光纖進(jìn)行數(shù)值模擬，實(shí)驗(yàn)研究了飛秒脈沖從光纖的正常色散區(qū)泵浦時(shí)產(chǎn)生的非線性現(xiàn)象，并揭示了其中存在的獨(dú)特的非線性機(jī)理。本文主要工作如下：
　　首先，針對(duì)實(shí)際微結(jié)構(gòu)光纖端面特征復(fù)雜、噪聲來(lái)源廣等特點(diǎn)，提出了一套基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的端面信息提取和處理方案，可廣泛適用于對(duì)端面圖中常見(jiàn)噪聲的“弱化”處理，方便得到理想的處理

3、效果圖，從而為有限元法的運(yùn)用提供完全忠于實(shí)物特征的結(jié)構(gòu)建模。具體地，布特沃斯高通濾波器及閾值化處理手段被成功引入到方案中，構(gòu)成了優(yōu)化的多參數(shù)組合處理圖片的核心實(shí)施方略，這為順利處理復(fù)雜圖片，在圖片處理過(guò)程中良好兼容由各種不同類型顯微鏡拍攝得到的圖片提供了完全可能性。本方案進(jìn)一步給出了圖像處理效果評(píng)判依據(jù)，并提供了處理后的氣孔邊緣與原始圖像疊加進(jìn)行對(duì)比顯示的功能，進(jìn)一步提高了處理效果的評(píng)價(jià)直觀性和端面建模的準(zhǔn)確性。方案中還分析了完美匹配層

4、的選取及曲線擬合條件的選取對(duì)色散系數(shù)模擬的影響。通過(guò)提取微結(jié)構(gòu)光纖端面結(jié)構(gòu)信息、建模并模擬其色散系數(shù)，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)二者吻合的很好，證明了本方法的高效和可靠性。處理結(jié)果表明，本方案在對(duì)光纖端面圖像來(lái)源的高適應(yīng)性、對(duì)圖像復(fù)雜度的高耐受性，以及對(duì)處理效果的高評(píng)判性和超準(zhǔn)確性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。
　　其次，針對(duì)實(shí)驗(yàn)室制備的微結(jié)構(gòu)光纖開(kāi)展了在遠(yuǎn)離零色散波長(zhǎng)的正常色散區(qū)入射飛秒脈沖的實(shí)驗(yàn)研究，揭示了正常色散區(qū)泵浦產(chǎn)生孤子效應(yīng)的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)了

5、由負(fù)的四階色散參量引起的四波混頻效應(yīng)。具體地，通過(guò)模擬獲得了微結(jié)構(gòu)光纖的特性參數(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬與理論分析，進(jìn)一步與文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比，合理解釋了實(shí)驗(yàn)中各個(gè)波帶的產(chǎn)生機(jī)理。研究表明：即使在遠(yuǎn)離零色散波長(zhǎng)的正常色散區(qū)泵浦亦可以產(chǎn)生孤子效應(yīng)和由負(fù)的四階色散參量引起的四波混頻效應(yīng)。這為合理利用微結(jié)構(gòu)光纖的非線性效應(yīng)提供了重要例證和實(shí)現(xiàn)思路。同時(shí)，還通過(guò)對(duì)比研究，深度剖析了三階色散的符號(hào)變化對(duì)色散波產(chǎn)生方向的影響。
　　最

6、后，針對(duì)一根自制的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)石英基光子晶體光纖，利用中心波長(zhǎng)0.822μm的飛秒激光進(jìn)行泵浦，發(fā)現(xiàn)了由三階色散誘導(dǎo)的受激四波混頻效應(yīng)。利用本文提出的微結(jié)構(gòu)光纖端面信息提取技術(shù)獲得了該光纖的特性參數(shù)，通過(guò)對(duì)四波混頻相位匹配曲線的分析，考慮到不同階色散時(shí)的時(shí)域振幅隨傳輸距離變化的分析，以及與從零色散波長(zhǎng)及反常色散區(qū)泵浦時(shí)輸出光譜的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明了在特定條件下四波混頻也可以由三階色散誘導(dǎo)發(fā)生，并據(jù)此提出了受激四波混頻的概念。這是對(duì)J.S