模擬光纖放大器中超短脈沖的放大，可以用合適的軟件，例如我們的RP Fiber Power 軟件。一個(gè)經(jīng)常會(huì)遇到的問(wèn)題是如何模擬一個(gè)脈沖序列的放大，脈沖重復(fù)率為80mhz，例如，在穩(wěn)定狀態(tài)下，該軟件可以很容易地模擬放大器的任意初始狀態(tài)的放大(有關(guān)激光激活離子的激發(fā))，但它可能是一個(gè)挑戰(zhàn)，即如何正確地確定該放大器的穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。根據(jù)具體情況，可以使用不同的方法，我們將在下面討論這些方法。您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)它們與我們的RP Fiber Power 軟件或您自己的代碼結(jié)合起來(lái)很有用，只要它足夠靈活。

使用連續(xù)波模擬

在某些情況下，您可以使用一種簡(jiǎn)單且計(jì)算速度非常快的方法。這里，您用連續(xù)波輸入代替脈沖序列來(lái)計(jì)算放大器的穩(wěn)態(tài)。該信號(hào)輸入的光功率等于脈沖序列的平均功率(即脈沖能量和脈沖重復(fù)率的乘積)，其波長(zhǎng)是輸入脈沖的平均波長(zhǎng)。當(dāng)您讓軟件計(jì)算這個(gè)簡(jiǎn)單情況下的信號(hào)輸出功率(即平均功率)時(shí)，它會(huì)給出一個(gè)接近穩(wěn)定狀態(tài)的脈沖放大器，前提是滿(mǎn)足以下條件：

• 脈沖能量遠(yuǎn)低于放大器的飽和能量，這意味著增益飽和對(duì)于單個(gè)脈沖是可以忽略不計(jì)的，只有在快速脈沖序列中才會(huì)變得相當(dāng)可觀。在高重復(fù)頻率的情況下，如80mhz，這個(gè)條件通常很好地滿(mǎn)足。

• 脈沖的光帶寬并不是很大，因此放大器增益在這個(gè)帶寬內(nèi)有很大的變化。對(duì)于低于100 fs的脈沖持續(xù)時(shí)間，或具有較長(zhǎng)脈沖的強(qiáng)啁啾，這可能是一個(gè)問(wèn)題，但我們有一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案(見(jiàn)下文)。

• 在放大過(guò)程中，脈沖頻譜不會(huì)實(shí)質(zhì)上轉(zhuǎn)移到其他波長(zhǎng)，在那里增益可能會(huì)降低或提高，或由于非線性效應(yīng)而強(qiáng)烈地?cái)U(kuò)大。在許多情況下，這一條件可以得到滿(mǎn)足，但還有一些其他條件，將在下面進(jìn)一步討論。

當(dāng)然，使用我們這樣的RP Fiber Power 軟件可以很容易地實(shí)現(xiàn)上述方法的自動(dòng)化。您只需定義光纖放大器模型與一個(gè)單一的“光通道”，正如我們上述所說(shuō)的，有一個(gè)波長(zhǎng)和輸入功率。然后您調(diào)用任何輸出，例如信號(hào)輸出功率，來(lái)觸發(fā)穩(wěn)態(tài)計(jì)算——這通常需要不到一秒鐘，即使您必須包括放大自發(fā)發(fā)射(ASE)的前后方向。然后放大器模型就會(huì)處于穩(wěn)態(tài)，您只需要發(fā)送一次超短脈沖就可以模擬放大效果。

對(duì)于寬帶脈沖，當(dāng)上述第二個(gè)條件不滿(mǎn)足時(shí)，可以使用一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的泛化方法。您使用一組具有特定波長(zhǎng)間隔的信號(hào)通道，而不是單個(gè)信號(hào)通道。對(duì)于每個(gè)通道，你應(yīng)用一個(gè)輸入功率，它是總功率的一部分，僅僅根據(jù)輸入脈沖的頻譜。這樣，模型可以考慮脈沖頻譜內(nèi)的波長(zhǎng)依賴(lài)性。作為一個(gè)完整的檢查，您可以將產(chǎn)生的連續(xù)波輸出頻譜與模擬脈沖頻譜進(jìn)行比較。

需要特別注意的是，在高增益放大器中，即使增益在增益譜內(nèi)只有10%的變化，您也可以看到顯著的影響:30dB的10%是3dB，即產(chǎn)生的功率譜密度的2倍。

在我們的RP Fiber Power 軟件中，您不需要手動(dòng)輸入所有不同的信號(hào)通道，它們的波長(zhǎng)和功率等，而是用環(huán)路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生這些東西。作為輸入，您只需要定義一些參數(shù)，比如信號(hào)通道的數(shù)量和它們的波長(zhǎng)間距，然后您就可以通過(guò)一些簡(jiǎn)單的公式得到所有的細(xì)節(jié)。稍后，您可以簡(jiǎn)單地檢查如果您使用更多的信號(hào)通道，結(jié)果是否會(huì)改變。無(wú)論如何，這樣的模擬仍然非常快，您不需要擔(dān)心計(jì)算時(shí)間的問(wèn)題。

迭代法

在某些情況下，上述簡(jiǎn)單方法不起作用。如果脈沖頻譜的演化不能用連續(xù)波模型恰當(dāng)?shù)孛枋觥@通常是因?yàn)楣饫w的非線性，只有超短脈沖(具有大量峰值功率)才會(huì)經(jīng)歷這種非線性。例如，如果脈沖在飛秒范圍內(nèi)，脈沖可能會(huì)由于自相位調(diào)制(SPM)而發(fā)生強(qiáng)烈的光譜展寬。

一個(gè)概念上簡(jiǎn)單的方法是直接模擬現(xiàn)實(shí)中發(fā)生的事情：您只需要從放大器的任意初始狀態(tài)(例如非激發(fā)態(tài))開(kāi)始，然后模擬隨后的脈沖放大，直到輸出脈沖不再發(fā)生很大變化。每個(gè)脈沖放大將從激光活性離子中帶走少量能量，而泵浦源在每個(gè)脈沖周期中增加一些能量。儲(chǔ)存在放大器中的能量將緩慢上升，直到它達(dá)到一個(gè)水平，能量提取和抽運(yùn)的影響只是相互抵消。

但其實(shí)這種簡(jiǎn)單的方法通常并不實(shí)用，因?yàn)楸仨毮M太多的脈沖，這需要過(guò)多的時(shí)間。例如，對(duì)于一個(gè)80mhz的脈沖序列，需要數(shù)千個(gè)脈沖才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。即使單個(gè)脈沖的傳播只需要半秒，如果要進(jìn)行數(shù)千次的傳播，您需要等待的時(shí)間也會(huì)超過(guò)預(yù)期。

解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)不錯(cuò)的方法是人為地降低脈沖重復(fù)頻率，例如將其降低1萬(wàn)倍，同時(shí)人為地將增益飽和強(qiáng)度提高1萬(wàn)倍。后者通常不能簡(jiǎn)單地通過(guò)使用10,000倍高的輸入脈沖能量來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檫@也會(huì)使非線性效應(yīng)相應(yīng)地更強(qiáng)。但是，我們的RP Fiber Power 軟件提供了一個(gè)很好的解決方案:您可以簡(jiǎn)單地包含函數(shù)調(diào)用set_gain_sat(10000);這使得增益飽和更強(qiáng)，而不改變非線性效應(yīng)。

如果您按照上述方法去做，您可能只需要20或50個(gè)脈沖傳播達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，整個(gè)計(jì)算可能只持續(xù)幾秒鐘。為了得到準(zhǔn)確的結(jié)果，您應(yīng)該降低脈沖重復(fù)率，這樣單個(gè)脈沖的放大會(huì)導(dǎo)致增益飽和幾個(gè)百分點(diǎn)。當(dāng)然，您可以簡(jiǎn)單地嘗試一下結(jié)果如何取決于這個(gè)因素，從而找到速度和精度之間的平衡。

聽(tīng)取專(zhuān)家的意見(jiàn)

如果您自己還不是這方面的專(zhuān)家，您就需要一些技術(shù)支持。如果您是我們的軟件的用戶(hù)，您可以從我們那得到技術(shù)支持，這將不限于純粹的特定于軟件的細(xì)節(jié)。例如，如果模型向您顯示放大功能不能按預(yù)期工作，您可以得到有關(guān)如何優(yōu)化配置的有價(jià)值的建議。顯然，這樣高質(zhì)量的支持——實(shí)際上是激光技術(shù)的技術(shù)咨詢(xún)——可以為您的項(xiàng)目帶來(lái)巨大的好處。