激拉曼散射的案例
RP系列 | 光束傳播計算中的受激拉曼散射
對RP光纖功率軟件進行了擴展，使受激拉曼散射可以用于數值光束傳播的模擬。它的實現是非常靈活的，允許任意的非線性系數的橫向剖面和不同波長的大量波之間的相互作用。
最近，使用RP光纖功率軟件的研究人員告訴我們，他們忽略了在基于數值光束傳播的模擬中包括受激拉曼散射的可能性。通過激光增益和交叉相位調制的相互作用已經實現，但還沒有 SRS。
我們最初對這個想法持懷疑態度，但最終得出的結論是，它可能對很多人都有用。最初的擔憂是，大量的拉曼轉換通常需要許多米的光纖，而對于數值光束傳播，通常只需要幾個微米的數值步長。這種組合導致大量的數值步驟和相應的長計算時間。首先，一些研究人員準備好讓軟件運行幾個小時，如果這能產生一些重要的結果。其次，在納秒脈沖的背景下，我們可以有相當大的峰值功率，即使在相當有限的光纖長度內——甚至可能遠低于一米——也能產生強大的拉曼轉換。
橫向依賴是相關的
另一方面，在一些情況下，使用數值光束傳播是完全有意義的，不僅考慮光場的橫向依賴關系，而且考慮光纖結構的橫向依賴關系——考慮折射率、非線性指數和拉曼增益系數。(需要注意的是，二氧化硅纖維的折射率曲線往往是由鍺摻雜曲線形成的，鍺摻雜曲線也會影響非線性指數和拉曼增益系數。)我們可以很容易地想象這樣的情況:忽略橫截面的簡化模擬無法提供所需的答案。
顯然，我們不僅要考慮折射率的任意橫向依賴性，還要考慮非線性指數和拉曼增益系數的任意橫向依賴性。對于后者，我提供了新的函數bp_set_SRS();這樣，用戶就可以為當前的波束傳播裝置指定一個數學表達式。軟件會自動檢查是否依賴于徑向坐標r或x或y。
關于數值步長的考慮
如上所述，要正確處理折射率剖面和衍射的影響，需要相當精細的數值步驟。另一方面，拉曼轉換發生在更長的空間尺度上。
展開 [Optiwave] OptiSystem應用：脈沖內拉曼散射對高階光孤子的衰變
本課程演示了受激拉曼散射對短孤子脈沖的影響。
布局及其全局參數如圖1和圖2所示。
圖1.光路布局
圖2.全局參數設置
圖3.脈沖生成器設置
非線性色散光纖組件的參數如圖4所示。該布局模擬了高階孤子脈沖的傳播。
脈沖寬度（FWHM）為450.62fs，對應的T0值為T0≈（TFWHM/1.763）=255.6fs。
圖4.非線性光纖設置
設置完成后運行程序，可以看到輸出脈沖形狀和頻譜如圖5所示。
圖5.初始脈沖
輸出脈沖形狀和頻譜如圖6所示。可以看出，受激拉曼散射對高階孤子的影響是將其分解。
圖6.輸出脈沖
此外，通過比較輸入和輸出脈沖頻譜，可以清楚地看到孤子自頻移現象。
歸一化頻移：
展開 OptiSystem應用：脈沖內拉曼散射對高階光孤子的衰變
本課程演示了受激拉曼散射對短孤子脈沖的影響。
布局及其全局參數如圖1和圖2所示。
圖1.光路布局
圖2.全局參數設置
圖3.脈沖生成器設置
非線性色散光纖組件的參數如圖4所示。該布局模擬了高階孤子脈沖的傳播。
脈沖寬度（FWHM）為450.62fs，對應的T0值為T0≈（TFWHM/1.763）=255.6fs。
圖4.非線性光纖設置
設置完成后運行程序，可以看到輸出脈沖形狀和頻譜如圖5所示。
圖5.初始脈沖
輸出脈沖形狀和頻譜如圖6所示。可以看出，受激拉曼散射對高階孤子的影響是將其分解。
圖6.輸出脈沖
此外，通過比較輸入和輸出脈沖頻譜，可以清楚地看到孤子自頻移現象。
歸一化頻移：
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本課程演示了受激拉曼散射對短孤子脈沖的影響。
布局及其全局參數如圖1和圖2所示。
圖1.光路布局
圖2.全局參數設置
圖3.脈沖生成器設置
非線性色散光纖組件的參數如圖4所示。該布局模擬了高階孤子脈沖的傳播。
脈沖寬度（FWHM）為450.62fs，對應的T0值為T0≈（TFWHM/1.763）=255.6fs。
圖4.非線性光纖設置
設置完成后運行程序，可以看到輸出脈沖形狀和頻譜如圖5所示。
圖5.初始脈沖
輸出脈沖形狀和頻譜如圖6所示。可以看出，受激拉曼散射對高階孤子的影響是將其分解。
圖6.輸出脈沖
此外，通過比較輸入和輸出脈沖頻譜，可以清楚地看到孤子自頻移現象。
歸一化頻移：
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RP Fiber Power 摻釔光纖放大器中受激拉曼散射
由于光纖中非線性效應較強，受激拉曼散射明顯：光纖端面處，大部分光能量因拉曼效應移至低頻（長波）。
圖形如下所示：
圖1為泵浦功率的變化。
圖2為時域脈沖圖形。
圖3為頻域脈沖圖形。
圖4為脈沖的光譜圖。
圖5為光纖內光譜的變化圖形。
圖6為各脈沖參量與傳輸位置關系。
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OptiSystem應用：脈沖內拉曼散射對高階光孤子的衰變
本課程演示了受激拉曼散射對短孤子脈沖的影響。
布局及其全局參數如圖1和圖2所示。
圖1.光路布局
圖2.全局參數設置
圖3.脈沖生成器設置
非線性色散光纖組件的參數如圖4所示。該布局模擬了高階孤子脈沖的傳播。
脈沖寬度（FWHM）為450.62fs，對應的T0值為T0≈（TFWHM/1.763）=255.6fs。
圖4.非線性光纖設置
設置完成后運行程序，可以看到輸出脈沖形狀和頻譜如圖5所示。
圖5.初始脈沖
輸出脈沖形狀和頻譜如圖6所示。可以看出，受激拉曼散射對高階孤子的影響是將其分解。
圖6.輸出脈沖
此外，通過比較輸入和輸出脈沖頻譜，可以清楚地看到孤子自頻移現象。
歸一化頻移：
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展開 OptiSystem：拉曼散射
拉曼散射也是一種廣泛存在于介質中的散射效應。在分子介質中，自發拉曼散射將入射光子的一小部分由一個頻率較高的光場轉移到另一頻率較低的光場中，頻率下移量由介質的振動模式決定，這個過程稱為拉曼效應。
1.原理
有一束頻率為ωp的泵浦光和一束頻率為ωs的斯托克斯光(或稱之為信號光)一起注入到光纖中，兩束光在光纖中傳輸的同時，泵浦光的一部分能量將會通過受激拉曼散射效應對斯托克斯進行放大，這表現為對斯托克斯光的拉曼增益。
2.仿真過程
2.1設置全局參數
2.2搭建光路
整體光路
3.設置元件參數
3.1 設置泵浦光，頻率為192.793THz，功率為50dBm。
3.2 設置信號光，頻率為182.793THz，功率為-99dBm。
3.3 設置光纖參數
光纖長度0.2km。
色散參數設置。
在非線性選項中勾選拉曼效應
4.運行結果
輸入信號的頻譜由1550nm處的強泵浦單色波（100W）和1640nm處的弱（-99dBm）斯托克斯波（10THz斯托克斯位移）組成。
輸入光纖信號
較弱的（低頻）頻譜分量被放大，并且增益為G＝99-61.7＝37.3dB。
經過光纖拉曼散射后信號
展開 [Optiwave] OptiSystem應用：拉曼散射
拉曼散射也是一種廣泛存在于介質中的散射效應。在分子介質中，自發拉曼散射將入射光子的一小部分由一個頻率較高的光場轉移到另一頻率較低的光場中，頻率下移量由介質的振動模式決定，這個過程稱為拉曼效應。
1. 原理
有一束頻率為ωp的泵浦光和一束頻率為ωs的斯托克斯光(或稱之為信號光)一起注入到光纖中，兩束光在光纖中傳輸的同時，泵浦光的一部分能量將會通過受激拉曼散射效應對斯托克斯進行放大，這表現為對斯托克斯光的拉曼增益。
2. 仿真過程
2.1設置全局參數
2.2搭建光路
整體光路
3. 設置元件參數
3.1 設置泵浦光，頻率為192.793THz，功率為50dBm。
3.2 設置信號光，頻率為182.793THz，功率為-99dBm。
3.3 設置光纖參數
光纖長度0.2km。
色散參數設置。
在非線性選項中勾選拉曼效應
4. 運行結果
輸入信號的頻譜由1550nm處的強泵浦單色波（100W）和1640nm處的弱（-99dBm）斯托克斯波（10THz斯托克斯位移）組成。
輸入光纖信號
較弱的（低頻）頻譜分量被放大，并且增益為G＝99-61.7＝37.3dB。
經過光纖拉曼散射后信號
展開 OptiSystem應用：拉曼散射
拉曼散射也是一種廣泛存在于介質中的散射效應。在分子介質中，自發拉曼散射將入射光子的一小部分由一個頻率較高的光場轉移到另一頻率較低的光場中，頻率下移量由介質的振動模式決定，這個過程稱為拉曼效應。
1. 原理
有一束頻率為ωp的泵浦光和一束頻率為ωs的斯托克斯光(或稱之為信號光)一起注入到光纖中，兩束光在光纖中傳輸的同時，泵浦光的一部分能量將會通過受激拉曼散射效應對斯托克斯進行放大，這表現為對斯托克斯光的拉曼增益。
2. 仿真過程
2.1設置全局參數
2.2搭建光路
整體光路
3. 設置元件參數
3.1 設置泵浦光，頻率為192.793THz，功率為50dBm。
3.2 設置信號光，頻率為182.793THz，功率為-99dBm。
3.3 設置光纖參數
光纖長度0.2km。
色散參數設置。
在非線性選項中勾選拉曼效應
4. 運行結果
輸入信號的頻譜由1550nm處的強泵浦單色波（100W）和1640nm處的弱（-99dBm）斯托克斯波（10THz斯托克斯位移）組成。
輸入光纖信號
較弱的（低頻）頻譜分量被放大，并且增益為G＝99-61.7＝37.3dB。
經過光纖拉曼散射后信號
展開 GLAD應用：瞬態拉曼效應
概述
1928年，光波被散射后頻率發生變化的現象被印度物理學家拉曼發現，因此被命名為拉曼散射。拉曼散射可以分為自發拉曼散射和受激拉曼散射。自發拉曼散射源于熱振動聲子對于入射光的散射。受激拉曼散射則是強激光與物質相互作用時產生的受激聲子對于入射光的散射。
系統描述
本例展示了如何模擬瞬態拉曼效應。當高功率超短激光脈沖在大氣中傳播時，若脈沖寬遠遠小于拉曼過程的時間常數，則該作用過程就可以通過求解描述瞬態拉曼過程的方程組進行模擬。理論手冊第9章中包含對瞬態拉曼效應方程的完整描述。
在瞬態拉曼效應的模擬過程中有一個關鍵問題需要解決，那就是如何處理自發輻射的角度。更精細的空間采樣就可以考慮更大的立體角。在本例中，我們只考慮初始10ps的作用過程，這樣瞬態增益將會比穩態增益小很多。模擬過程中我們將傳播距離分30步完成，每一步1km，每一步綜合考慮自發拉曼效應、受激拉曼效應以及衍射效應。
沒有受激拉曼放大下的自發輻射開始會線性增長，但是隨著傳播距離的增加，就會有越來越多的空間分量散射出主光路，最終自發輻射到達一個穩定值。越大的采樣陣列能夠涵蓋的自發輻射角度越大，但同時散射效應作用的距離也更短。
模擬結果
圖1.沒有受激拉曼放大下時自發輻射的增長過程（采樣陣列為64*64）
圖2.沒有受激拉曼放大下時自發輻射的增長過程（采樣陣列為256*256）
圖3.30km處斯托克斯光的分布（采樣陣列為64*64）
圖4.30km處斯托克斯光的分布（采樣陣列為256*256）
圖5.斯托克斯光與入射激光的強度比隨傳輸距離的變化（對數坐標，采樣陣列為64*64）
圖6.斯托克斯光與入射激光的強度比隨傳輸距離的變化（對數坐標，采樣陣列為256*256）
展開 GLAD：瞬態拉曼效應
概述
1928年，光波被散射后頻率發生變化的現象被印度物理學家拉曼發現，因此被命名為拉曼散射。拉曼散射可以分為自發拉曼散射和受激拉曼散射。自發拉曼散射源于熱振動聲子對于入射光的散射。受激拉曼散射則是強激光與物質相互作用時產生的受激聲子對于入射光的散射。
系統描述
本例展示了如何模擬瞬態拉曼效應。當高功率超短激光脈沖在大氣中傳播時，若脈沖寬遠遠小于拉曼過程的時間常數，則該作用過程就可以通過求解描述瞬態拉曼過程的方程組進行模擬。理論手冊第9章中包含對瞬態拉曼效應方程的完整描述。
在瞬態拉曼效應的模擬過程中有一個關鍵問題需要解決，那就是如何處理自發輻射的角度。更精細的空間采樣就可以考慮更大的立體角。在本例中，我們只考慮初始10ps的作用過程，這樣瞬態增益將會比穩態增益小很多。模擬過程中我們將傳播距離分30步完成，每一步1km，每一步綜合考慮自發拉曼效應、受激拉曼效應以及衍射效應。
沒有受激拉曼放大下的自發輻射開始會線性增長，但是隨著傳播距離的增加，就會有越來越多的空間分量散射出主光路，最終自發輻射到達一個穩定值。越大的采樣陣列能夠涵蓋的自發輻射角度越大，但同時散射效應作用的距離也更短。
展開 
GLAD：瞬態拉曼效應
概述
1928年，光波被散射后頻率發生變化的現象被印度物理學家拉曼發現，因此被命名為拉曼散射。拉曼散射可以分為自發拉曼散射和受激拉曼散射。自發拉曼散射源于熱振動聲子對于入射光的散射。受激拉曼散射則是強激光與物質相互作用時產生的受激聲子對于入射光的散射。
系統描述
本例展示了如何模擬瞬態拉曼效應。當高功率超短激光脈沖在大氣中傳播時，若脈沖寬遠遠小于拉曼過程的時間常數，則該作用過程就可以通過求解描述瞬態拉曼過程的方程組進行模擬。理論手冊第9章中包含對瞬態拉曼效應方程的完整描述。
在瞬態拉曼效應的模擬過程中有一個關鍵問題需要解決，那就是如何處理自發輻射的角度。更精細的空間采樣就可以考慮更大的立體角。在本例中，我們只考慮初始10ps的作用過程，這樣瞬態增益將會比穩態增益小很多。模擬過程中我們將傳播距離分30步完成，每一步1km，每一步綜合考慮自發拉曼效應、受激拉曼效應以及衍射效應。
沒有受激拉曼放大下的自發輻射開始會線性增長，但是隨著傳播距離的增加，就會有越來越多的空間分量散射出主光路，最終自發輻射到達一個穩定值。越大的采樣陣列能夠涵蓋的自發輻射角度越大，但同時散射效應作用的距離也更短。
展開 RP 系列 激光分析設計軟件 | 無源光纖（ 第十二部分）
受激拉曼散射
在發生強非線性相移的情況下，受激拉曼散射 (SRS) 也可能變得非常重要。它可以將部分脈沖能量轉移到較長的波長上。
例如，我們模擬了摻鐿光纖放大器中的脈沖演化，其中 SRS 變得與光纖端相關。圖 7 顯示了脈沖頻譜沿光纖傳播的演變。首先，通過自相位調制獲得大幅度的光譜展寬。在光纖末端，主要是光譜的長波長部分向更長的波長偏移了幾十納米；這就是拉曼散射。
圖 7：光纖放大器中脈沖頻譜的演變。在右端附近，很大一部分功率轉移到更長波長中。
人們可能想知道為什么光譜的短波長部分顯然沒有受到影響。這是因為由于群速度色散，該部分以稍低的速度傳播。因此，它失去了與拉曼位移部分的時間重疊，拉曼位移部分在左側光纖端附近開始增長（以非常低的水平）。在其他情況下，例如具有較少色散或反常色散，結果可能完全不同。
在模擬示例中，初始脈沖為 3 ps 長。在這種情況下，光譜非常窄，拉曼增益放大了一個光譜區域，在該區域基本上沒有光功率——只有量子漲落。因此，拉曼位移光表現出相當大的隨機性。在其他脈沖持續時間范圍內，可以獲得完全不同的結果。因此，其他情況也應進行模擬分析；不能安全地將獲得的結果轉移到其他參數機制中。
超連續譜生成
光纖中的強非線性相互作用可用于光的強光譜展寬。然而，僅僅注入具有高峰值功率的光是不夠的，因為光譜展寬的程度還敏感地取決于色散特性、泵浦波長和脈沖持續時間。通常，泵浦波長選擇在反常色散區域，不會離光纖的零色散波長太遠。通過使用具有合適設計的光子晶體光纖，可以將零色散波長放置到合適的激光源的波長上。
在極端情況下，人們獲得的頻譜寬度超過一個倍頻程。更準確地說，它們具有超過一個八度光學強度。光譜的半峰全寬可以明顯更小。
各種各樣的效應都可以促成超連續譜的產生。
展開 RP Fiber Power 演示
案例研究
單獨頁面上描述的示例案例
第一組示例說明了模式求解器的功率和數值光束傳播：
o 計算光纖模式
o 鍺硅酸鹽光纖的模式，計算色散
o 將光線發射到多模光纖中
o 在大模場區域光纖中彎曲效應
o 非線性自聚焦
o 未對準輸入光束的光演變
o 在雙包層光纖中的泵浦吸收
o 錐形光纖中的光
o 光纖耦合器
o 光纖布拉格光柵中的模式耦合
o 主動Q開關Nd：YAG激光器（固體激光系統；波傳播動態模擬）
o 多模光纖中受激拉曼散射
進一步的演示文件顯示了如何模擬光纖放大器和激光器（僅穩態計算）
o 摻鉺光纖放大器
o 包層泵浦高功率摻鐿光纖激光器
o 摻銩藍色上轉換激光器
o 具有自動光譜優化功能的ASE光源
以下是動態仿真的一些示例：
? 光纖放大器中的脈沖放大
? 主動Q開關光纖激光器
? 主動Q開關Nd：YAG激光器（固體激光系統）
? 主動Q開關Nd：YAG激光器（固體激光系統;波傳播）
? 被動Q開關Nd：YAG激光器（固體激光系統）
接下來，有模擬超短脈沖傳播的演示：
? 高階孤子
? 孤子自頻移
? 光纖放大器中的拋物線脈沖
? 光纖放大器中的受激拉曼散射
? 再生放大器（體系統）
? 鎖模光纖激光器
? 啁啾脈沖放大器系統
? 數據傳輸
? 超連續譜生成
最后，以其他形式生成輸出的演示：
o 將計算結果報告為網頁
單擊鏈接以獲取詳細信息
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視頻演示
RP Fiber Power視頻演示
視頻演示
請注意，不幸的是視頻有點過時了 - 我們太努力改進軟件，以至于沒有時間保持視頻的最新狀態！
首先，有一個介紹性視頻，在大約15分鐘內概述所有功能。
展開 RP Fiber Power 超連續光譜的產生
考慮克爾效應及受激拉曼散射產生的非線性效應。
圖1為模式的計算。（泵浦波長下光纖為單模）
圖2為色散與波長的關系。
圖3為時域內的輸出脈沖。
圖4為波譜域的輸出脈沖。
圖5為光纖內光譜的變化，例如不同顏色的光譜位于光纖內不同的位置。
圖6為光譜圖形式顯示的輸出光波長。
