摻鉺光纖環(huán)形激光器頻域動力學(xué)特性及演化規(guī)律研究.pdf

1、論文針對光纖環(huán)形激光器（FRL）在工程應(yīng)用中出現(xiàn)的復(fù)雜多模動態(tài)現(xiàn)象，通過改進(jìn)多通道實時頻域觀測手段，突破傳統(tǒng)激光動力學(xué)測量技術(shù)的頻域限制，將人們對FRL非線性動力學(xué)特性的認(rèn)識從低維拓展至高維，揭示了模式個體行為與集群行為之間的復(fù)雜關(guān)聯(lián)及內(nèi)在物理機(jī)制。
　　激光頻域動力學(xué)問題是光學(xué)復(fù)雜系統(tǒng)研究領(lǐng)域的一大難題。FRL是典型的大自由度光學(xué)復(fù)雜系統(tǒng)，具有復(fù)雜跳模、高維混沌等非線性模式動態(tài)行為?，F(xiàn)有的理論模型及測量手段大多只關(guān)注密集模式群落

2、的整體行為，而忽視了模式個體行為；這一降維處理方式丟失了大量的頻域模式動態(tài)信息，導(dǎo)致跳模抑制、高維頻域混沌產(chǎn)生及控制等頻域非線性動力學(xué)問題無法得到有效處理。要解決這些問題，需在理論上建立包含密集縱模間相互作用與耦合機(jī)制的物理模型，更需發(fā)展多模激光模式動態(tài)行為測量的實驗手段。
　　論文以摻鉺光纖環(huán)形激光器（EDFRL）作為研究對象，通過引入密集縱模間的交叉耦合系數(shù)，并考慮鉺離子對猝滅效應(yīng)而引入額外自由度，建立了雙模及多模光纖激光頻域

3、動力學(xué)模型，可有效描述頻域內(nèi)大量模式的個體行為及集群行為，在理論上重現(xiàn)了頻域高維動力系統(tǒng)所特有的多模動態(tài)特性。仿真結(jié)果表明，通過改變離子對濃度或抽運(yùn)系數(shù)，所有模式可通過陣發(fā)、倍周期分岔、準(zhǔn)周期等途徑同步進(jìn)入混沌，關(guān)聯(lián)維數(shù)高達(dá)5.1。
　　為實驗獲取光纖激光多模動態(tài)信息，提出一種基于光學(xué)外差和時頻分析技術(shù)（OH-JTFA）的頻域動態(tài)測量方法，實現(xiàn)了EDFRL密集模式頻率及強(qiáng)度多參量時間序列的同步提取，頻率分辨率在kHz量級。分別考察

4、了單FBG選模EDFRL、自組織反饋 EDFRL、調(diào)制型混沌 EDFRL等三類光纖激光系統(tǒng)的頻域動態(tài)特性，以揭示模式個體行為與群體行為間的復(fù)雜互動及演化規(guī)律。
　　單FBG選模EDFRL常被認(rèn)為是最典型的單波長激光系統(tǒng)，實際上在選模通道內(nèi)寄居上百個本征模式，自由運(yùn)轉(zhuǎn)條件下輸出非穩(wěn)態(tài)多縱模（MLM）。通過采用OH-JTFA方法，首次清晰測得該類EDFRL輸出密集多模呈現(xiàn)的豐富局域動態(tài)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)模式群落整體行為處于光強(qiáng)穩(wěn)態(tài)時，模式個體

5、行為可呈現(xiàn)典型的混沌特征。
　　自組織反饋EDFRL在腔內(nèi)引入飽和吸收體形成超窄帶自適應(yīng)光柵，理論上可始終保持單縱模（SLM）穩(wěn)定輸出。然而，真實激光器存在多類型的跳?，F(xiàn)象，受限于常規(guī)跳模檢測手段，而無法有效獲取跳模全過程的關(guān)鍵信息。通過采用OH-JTFA方法，實現(xiàn)了對跳模全動態(tài)過程的實時監(jiān)測，跳模過程由時頻瀑布圖直觀呈現(xiàn)，首次無失真地獲取到跳模瞬態(tài)過程的所有物理參量。
　　調(diào)制型混沌EDFRL通過引入一個自由度，使總光強(qiáng)呈

6、混沌輸出，是典型的低維混沌系統(tǒng)。同樣，該系統(tǒng)輸出光場包含大量密集縱模，當(dāng)總光強(qiáng)輸出為混沌態(tài)時頻域內(nèi)各模式動態(tài)特性及演化規(guī)律迄今仍不清楚。通過提高OH-JTFA的頻域分辨率，同步提取出單個模式頻率、譜線及光強(qiáng)等多參量時間演化特性；發(fā)現(xiàn)當(dāng)總光強(qiáng)為低維混沌輸出時，單個模式在頻域上出現(xiàn)頻率調(diào)制及譜線加寬現(xiàn)象、在強(qiáng)度上呈現(xiàn)高維混沌或隨機(jī)特征。
　　論文中得到的重要實驗結(jié)果及創(chuàng)新點主要包括以下三個方面：
　　1、通過OH-JTFA方法在

7、單FBG MLM-EDFRL中發(fā)現(xiàn)了一類大自由度非線性動力系統(tǒng)所特有的動態(tài)現(xiàn)象。測量結(jié)果表明，局域模式產(chǎn)生了總光強(qiáng)所無法呈現(xiàn)的頻域動態(tài)行為，包括模式自脈沖、模式反相動態(tài)、混沌多模振蕩、隨機(jī)多模振蕩等。
　　2、利用OH-JTFA方法首次獲得了自組織反饋SLM-EDFRL典型跳模及瞬時多模振蕩演化過程的時頻瀑布圖。本方法是迄今唯一能實現(xiàn)同步提取EDFRL跳模持續(xù)時間、跳模間距與方向、參與競爭的模式數(shù)量、模式強(qiáng)度演化等跳模參數(shù)的頻域測

8、量手段，為深入理解模式失穩(wěn)及動態(tài)機(jī)理提供了更全面的觀測手段，具有重要的參考價值。
　　3、通過提高 OH-JTFA的頻域分辨率，考察了抽運(yùn)調(diào)制型混沌光纖激光系統(tǒng)的頻域動力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)了總光強(qiáng)表現(xiàn)為典型的低維混沌時，頻域內(nèi)存在的大量縱模表現(xiàn)出極為復(fù)雜的高維動態(tài)特性。對各模式進(jìn)行的非線性時間序列分析表明具有混沌特性的模式與具有隨機(jī)演化特性的模式在總的低維混沌下共存。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討了利用混沌光纖激光器頻域內(nèi)的大量混沌/隨機(jī)模式作