本教程包含以下部分：

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波操作

6：放大和產生短脈沖

7：超短脈沖

8：使用自制軟件還是商業產品？

以下是Paschotta 博士關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波操作

在本教程的前一部分中，我們假設所有通道的輸入功率恒定。現在，我們將考慮動態模擬，其中所有輸入功率都可能與時間相關。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域，我們將在下一節中討論，通常可以對所使用的方程和數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）可能是時間相關的。RP Fiber Power是一款靈活的軟件，可以處理任意給定函數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，而需要考慮動態飽和效應。換句話說，增益值不僅僅取決于當前的光強度，還取決于它們在不久的過去的值。本質上，軟件需要為激光活性離子的激發引入額外的動力學變量。它們的時間演化是通過對速率方程進行數值積分來計算的，我們在第 4 節中已經討論過。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，（尚未相關的）信號增益穩步上升。當信號脈沖被注入時，它最初會從高增益中獲利，但隨后會迅速使該增益飽和。結果，脈沖的其他部分將經歷降低的增益并獲得相應的較低輸出功率。這可能導致時間脈沖形狀的顯著失真。圖 1 顯示了一個數值示例，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與時間的關系。

在脈沖放大器系統中，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生的時間延遲。即使脈沖持續時間比傳播時間短，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，數值步長可能必須遠低于亞穩態能級的壽命。

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Q激光器

在模擬調Q光纖激光器時，一些新的方面開始發揮作用。我們現在需要考慮傳播時間，因為激光諧振器的往返時間現在起著至關重要的作用。因此，我們需要大幅擴展算法：

對于 Q 開關激光器的建模，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，激光設備中的整個功率分布在空間上移動了設備長度的一小部分，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，例如包含調制器（Q 開關）的自由空間區域。因此，至少對于激光來說，需要某種數值緩沖器來存儲對應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系。

圖 2 顯示了在打開該激光器后的前兩個脈沖周期內輸出功率和激發電平的演變。由此產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，功率會有很大的變化，這在 Q 開關體激光器中通常不會發生。這種現象背后的一個重要因素是有源光纖的高增益。在 Q 開關打開（透明）之前，ASE 導致有源光纖內的光功率分布非常不均勻（處于相當低的水平）。如果 Q 開關很快打開，那么不均勻的功率分布開始在諧振器周圍傳播，在輸出端產生尖峰結構。細細想來，細節就能明白，但在這些高增益的情況下肯定會更復雜——當然，更需要對這個數字進行研究。人們還可以研究諸如 Q 開關的有限切換時間等方面。