RP 系列激光分析設計軟件 | 示例案例：雙包層光纖中的泵浦吸收

墨光科技

2023年12月27日 16:13

在這里，我們將展示了如何利用 RP Fiber Power 來分析和優化雙包層光纖設計。由于這涉及到一些復雜的細節，因此 RP Fiber Power 的高度靈活性對于完成這項任務至關重要。

模型的描述

我們考慮將雙包層光纖用于大功率光纖激光器和放大器。眾所周知，注入到泵浦包層中的泵浦光的吸收率會因為泵浦包層的某些模式與摻雜光纖纖芯有微弱重疊而降低。我們對此進行了更深入的調查。

注意，基于模式的方法不太適合這種分析。一個原因是泵浦包層可以有非常多的模式。另一個原因是為了改善泵浦吸收，通常會使用一些減弱共模的方法。在這種情況下，運行良好的模式解算器將很難開發，并且需要大量的計算時間。

因此，在這種情況下，數值光束傳播是一種更實用的方法。然而，這也并非易事：

為了切合實際，我們需要構建一種輸入泵浦波，這種泵浦波相當不連貫，但仍具有足夠的空間相干性，以便高效發射，在本示例中，我們的構造如下：

我們從一個具有真實強度分布(僅限于泵浦包層)但具有隨機光學相位的場開始。這將導致巨大的光束發散，從而只有較小部分功率可以發射到泵浦包層中。
然后，我們對該場進行傅里葉變換，濾除高頻成分(對應于較大的傳播角)，并將其轉換回來。
我們在空間域中再次對此進行過濾。

這些操作需要一些腳本代碼:

defarray A0%[0, (N - 1) * dr, dr; 0, (N - 1) * dr, dr] (periodic)
defarray A0_f%[0, (N - 1) * dr, dr; 0, (N - 1) * dr, dr] (periodic)
w0 := 15 um { beam size parameter }
sg(x2) := exp(-x2^4)  { normalized super-Gaussian function }
calc
  begin
    { Calculate the initial beam profile: low spatial coherence,
      but high enough for efficient launching}
    var f_max, f_m;
    { First step: totally random amplitudes within the cladding }
    for x := -r_max to +r_max step dr do
      for y := -r_max to +r_max step dr do
         A0%[x, y] := if x^2 + y^2 < r_cl^2 and y < y_cut then
           rnd(-1) + i * rnd(-1);
    { Filter out higher spatial frequency components }
    FFT_n(A0%[], A0_f%[], +1);
    df := 1 / (2 * r_max);
    f_max := 0.5 * N * df;
    f_m := NA_cl / lambda; { maximum allowed spatial frequency }
    for fx := -f_max to +f_max step df do
      for fy := -f_max to +f_max step df do
        A0_f%[fx, fy] := sg((fx^2 + fy^2) / f_m^2) * A0_f%[fx, fy];
    FFT_n(A0_f%[], A0%[], -1);
    for x := -r_max to +r_max step dr do
      for y := -r_max to +r_max step dr do
        A0%[x, y] := sg((x^2 + y^2) / r_cl^2) * (y < y_cut) * A0%[x, y];
  end
A0%(x, y) := A0%[x, y]

數值網格比泵浦包層稍大。我們在外包層中引入人工吸附，模擬外包層的損耗，這種損耗通常會發生在外邊界。

由于泵浦包層的高數值孔徑(0.4)，因此數值分辨率需要相對較高。我們使用0.47um 的橫向分辨率和3.3 um 的縱向分辨率。

結果

最初，我們假設泵浦包層為圓形，摻雜核心為居中。對于纖芯吸收，我們假設為 100 dB/m，這比有點超出實際情況，但這樣我們就可以使用更短的光纖長度 (500 mm)，從而節省計算時間。

圖1顯示了幅度分布在光纖中的演變過程。我們可以看到，強度分布在纖芯區域形成了一個“洞”。這是眾所周知的效應，即在一定長度的光纖中，功率主要集中在泵浦吸收很弱的模式中。因此使用更長的光纖沒有多大幫助。