| 小火龍果 | 2022-06-16 10:13 |
RP系列 激光分析設(shè)計軟件 | 光纖放大器與激光器建模第六部分1：簡介 2：光通道 3：功率傳播或場傳播 4：激光活性離子 5：放大器和激光器的連續(xù)波操作 6：放大和產(chǎn)生短脈沖 7：超短脈沖 8：使用自制軟件還是商業(yè)產(chǎn)品？ 以下是Paschotta 博士關(guān)于光纖放大器和激光器建模教程的第 6 部分。 第 6 部分：放大器和激光器的連續(xù)波操作 在本教程的前一部分中，我們假設(shè)所有通道的輸入功率恒定。現(xiàn)在，我們將考慮動態(tài)模擬，其中所有輸入功率都可能與時間相關(guān)。畢竟，光纖放大器和激光器通常使用光脈沖和/或脈沖泵浦源進行操作。 只要我們不進入超短脈沖領(lǐng)域，我們將在下一節(jié)中討論，通常可以對所使用的方程和數(shù)值方法進行簡單的推廣： • 任何輸入功率（例如泵浦和信號光束的）可能是時間相關(guān)的。RP Fiber Power是一款靈活的軟件，可以處理任意給定函數(shù)或所有通道隨時間變化的輸入功率的列表值。 • 增益或損失值gj(z)的計算不能僅基于強度，而需要考慮動態(tài)飽和效應(yīng)。換句話說，增益值不僅僅取決于當(dāng)前的光強度，還取決于它們在不久的過去的值。本質(zhì)上，軟件需要為激光活性離子的激發(fā)引入額外的動力學(xué)變量。它們的時間演化是通過對速率方程進行數(shù)值積分來計算的，我們在第 4 節(jié)中已經(jīng)討論過。這原則上并不困難，即使對于涉及非線性項的速率方程也是如此。 例如，光纖放大器可以首先被泵浦一段時間，然后注入短信號脈沖（例如高斯或超高斯時間形狀）。在泵送階段，（尚未相關(guān)的）信號增益穩(wěn)步上升。當(dāng)信號脈沖被注入時，它最初會從高增益中獲利，但隨后會迅速使該增益飽和。結(jié)果，脈沖的其他部分將經(jīng)歷降低的增益并獲得相應(yīng)的較低輸出功率。這可能導(dǎo)致時間脈沖形狀的顯著失真。圖 1 顯示了一個數(shù)值示例，取自詳細的案例研究。  圖 1： 具有脈沖泵浦和信號的摻鐿光纖放大器的輸出功率和鐿激發(fā)與時間的關(guān)系。 在脈沖放大器系統(tǒng)中，傳播時間通常可以忽略。 請注意，在這種情況下，我們可以放心地忽略傳播時間，即光通過放大器光纖傳播產(chǎn)生的時間延遲。即使脈沖持續(xù)時間比傳播時間短，光纖的不同部分在稍微不同的時間“看到”脈沖通常并不重要。畢竟，通常級別的生命周期要長得多。數(shù)值算法中使用的時間步長可以大于或小于傳播時間；它只需要足夠小以正確采樣所有時間特征，包括飽和效果。請注意，如果放大器增益被非常高的信號強度飽和，它會迅速下降。因此，數(shù)值步長可能必須遠低于亞穩(wěn)態(tài)能級的壽命。 另請參閱我們的光纖放大器教程的第七部分，其中討論了光纖放大器在放大納秒脈沖方面的行為。 調(diào)Q激光器 在模擬調(diào)Q光纖激光器時，一些新的方面開始發(fā)揮作用。我們現(xiàn)在需要考慮傳播時間，因為激光諧振器的往返時間現(xiàn)在起著至關(guān)重要的作用。因此，我們需要大幅擴展算法： 對于 Q 開關(guān)激光器的建模，必須考慮光在諧振器中的傳播時間。 • 我們需要使用一個時間步長，它只是諧振器往返時間的一小部分。在一個時間步驟內(nèi)，激光設(shè)備中的整個功率分布在空間上移動了設(shè)備長度的一小部分，同時受到增益或損耗的影響。 • 有源光纖外也可能存在時間延遲，因為激光諧振器可能包含附加部件，例如包含調(diào)制器（Q 開關(guān)）的自由空間區(qū)域。因此，至少對于激光來說，需要某種數(shù)值緩沖器來存儲對應(yīng)于光纖外部位置的光功率值。 原則上，所需的方程和算法都不是很復(fù)雜。但是，由于各種“簿記”要求，實施有點繁瑣。 作為示例，我們可以使用軟件RP Fiber Power制作的調(diào)Q光纖激光器的案例研究。  圖 2： 輸出功率和鐿激勵與時間的關(guān)系。 圖 2 顯示了在打開該激光器后的前兩個脈沖周期內(nèi)輸出功率和激發(fā)電平的演變。由此產(chǎn)生的脈沖形狀可能看起來非常令人驚訝。在單次往返時間內(nèi)，功率會有很大的變化，這在 Q 開關(guān)體激光器中通常不會發(fā)生。這種現(xiàn)象背后的一個重要因素是有源光纖的高增益。在 Q 開關(guān)打開（透明）之前，ASE 導(dǎo)致有源光纖內(nèi)的光功率分布非常不均勻（處于相當(dāng)?shù)偷乃剑Ｈ绻?Q 開關(guān)很快打開，那么不均勻的功率分布開始在諧振器周圍傳播，在輸出端產(chǎn)生尖峰結(jié)構(gòu)。細細想來，細節(jié)就能明白，但在這些高增益的情況下肯定會更復(fù)雜——當(dāng)然，更需要對這個數(shù)字進行研究。人們還可以研究諸如 Q 開關(guān)的有限切換時間等方面。 |
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