激光器建模的案例
RP系列 激光分析設計軟件 | 光纖放大器與激光器建模第四部分
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武漢墨光是光機電領域優質服務商，提供 SYNOPSYS?鏡頭設計軟件、ASAP高級光學系統分析軟件、APEX光機系統分析與設計軟件、JCMsuite 納米光學仿真分析軟件、PCGrate 光柵設計軟件、RP Fiber Power 光纖激光器及光纖器件設計軟件、Mathematica 科學計算軟件 等產品的推廣
展開 RP系列 激光分析設計軟件 | 光纖放大器與激光器建模第六部分
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。
展開 RP系列 激光分析設計軟件 | 光纖放大器與激光器建模第二部分
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 2 部分。
第 2 部分：光通道
在光纖放大器或光纖激光器的定量模型中，我們需要以某種方式描述在光纖中傳播的光。具體應該如何做，很大程度上取決于具體情況。
在大多數情況下，我們處理的是不同波長的不同光波——例如，泵浦波和信號波。在更復雜的情況下，我們可能有多個泵浦和信號波，也可能有來自放大自發發射(ASE) 的光（請參閱我們的光纖放大器教程的第 4 節）。
盡管原則上可以將整個光場描述為一個整體，但區分一些我們稱之為光通道的數量通常是非常明智的。在放大器模型中，我們可能有
? 一個或多個泵通道，
? 一個或多個信號通道，
? 通常在 10 到 100 個 ASE 通道之間。
我們將 ASE 光分成具有不同波長的多個通道，通常使用等距的波長值。每個 ASE 通道代表一些窄波長區域，其中光子能量和躍遷橫截面等屬性近似恒定。當然，在某些情況下 ASE 可以完全忽略——例如，當放大器增益太低而 ASE 不重要并且人們對那個低電平 ASE 不感興趣時。
泵和信號通道通常被認為是單色的。對于這些，通常不考慮自發輻射。在寬帶信號的情況下，當然可以再次使用具有不同波長的通道陣列。
圖 1： 摻鉺光纖放大器模型中的光通道。
例如，圖 1 顯示了為一個簡單的摻鉺光纖放大器模型選擇的光通道。ASE 通道的波長范圍為 1520 nm 至 1600 nm，間距為 5 nm。
展開 RP系列 激光分析設計軟件 | 光纖放大器與激光器建模第八部分
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 8 部分。
第 8 部分：使用自制軟件還是商業產品？
我們已經看到，擁有合適的仿真軟件對于任何建模練習的成功都至關重要，尤其是對于涉及光纖放大器和光纖激光器的情況。剩下的問題是應該嘗試構建自己的軟件還是使用商業產品。
人們可以只考慮那些可以合理預期會產生所需結果的選項。
在制作自己的軟件時，原則上您可以做任何需要做的事情；問題只是你的專業知識和你可以花費的時間是否足以到達那里。
你怎么知道商業軟件適合這項工作？
在購買用戶許可證之前通常很難確定產品是否適合該工作。許多商業軟件產品的廣告都帶有一些大膽的聲明和漂亮的圖形，但并不能告訴你太多。他們可能會為您提供試用版，但以這種方式識別軟件的限制可能相當耗時。
我們采用不同的方法：在我們的網站上免費提供非常全面的材料。這包括對軟件產品的精心編寫的描述，還包括大量案例研究和教程，例如這個。此外，我們會認真、誠實地回答人們在考慮購買許可證時可能遇到的任何問題。如果有濃厚的興趣，我還提供在線演示。這種方法省時；它允許您在短時間內確定軟件對特定工作的適用性。
我們的產品 RP Fiber Power 非常靈活，適用于非常廣泛的情況，有時由于當前的軟件限制達或其他原因不到需求必須我們也會告知，或者告知不實用。
軟件總是可能包含錯誤
你不確定軟件是否有錯誤。仔細的驗證程序至少可以將這種風險降到最低。如果您在該領域做得很好，您可能會特別確定您自己的軟件的結果是正確的，然后您當然也可以更徹底地測試其他軟件。
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RP系列 激光分析設計軟件 | 光纖放大器與激光器建模第三部分
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 3 部分。
第 3 部分：功率傳播或場傳播
我們現在需要考慮在模型中應該如何準確地表示光及其空間屬性。我們需要準確決定在數學方程和數值數據結構中使用哪些量。對于有效的解決方案，此選擇應視情況而定。
假設頂帽橫向輪廓
在最簡單的情況下，我們基本上可以忽略橫向尺寸，假設在橫向上是平頂強度分布：假設光均勻地填充纖芯（而不是超出它），我們只考慮由于放大、吸收或損耗，沿光纖的光功率。在方程中，我們有通道j的光功率P j ( z )，其中坐標z從 0 變化到L f，即有源光纖的長度。
人們通常為每個光通道使用一組簡單的功率值，其中我們有一定的存儲值的固定縱向間距。該間距應該足夠精細，以合理準確地表示變化的功率水平。該陣列可以有 51 個分量，例如，用于在z方向上實現 50 個數值步長。
僅在z方向傳播光功率相對簡單，至少僅用于單程。
z方向上光功率的變化可以用一個簡單的微分方程來描述：
其中g j (z) 是局部增益。（通常，信號通道在整個光纖中具有正增益值，而泵通道具有負值，表示吸收。）通常恒定的值α j表示光纖的附加背景損耗，例如由瑞利散射引起的。（在短放大器或激光光纖中，這通常可以忽略。）加號適用于前向傳播通道，減號適用于后向傳播通道。在動態模擬中（見第 6 部分），增益值會隨時間變化，例如由于飽和效應。
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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 1 部分。
第 1 部分：簡介
不，我們不會直接跳入技術細節！相信我，有些方面是非常值得事先考慮的。
順便說一句，這些想法并不特定于有源光纖設備，而是可以相當普遍地應用于科學和技術建模。
建模是什么意思？
通常，模型是一種心理結構，應該類似于現實的某些部分——例如，光纖放大器中從泵浦光到信號光的功率轉換或光纖中超短脈沖的傳播。請記住，建模總是從思考開始；只有在稍后的時間點，諸如使用軟件計算事物之類的方面才會發揮作用。
為了有用，模型必須比現實簡單。
模型總是比它應該類似于的現實簡單得多。現實是極其復雜的，我們的頭腦無法處理絕對復雜的事情。幸運的是，通過處理非常簡化的概念，可以理解現實的許多方面。例如，為了對光纖放大器中發生的事情有一個非常有幫助的了解，您不必處理纖芯的詳細微觀結構，即所有光子與光纖中所有原子的相互作用等等。相反，您可以使用非常簡化的模型，這些模型僅通過幾個相對簡單的微分方程來描述光和物質的相互作用。
如果您自己還不是很有經驗，您可能希望獲得有關要實施哪種類型的模型的有效建議。
當然，如果模型過于簡化，它可能不適合其用途。然后它可能無法與現實的某些相關方面相似。在建模項目開始時要做出的一些基本決策涉及選擇合適的模型類型，足夠現實，但同時又不會過于復雜。這部分工作可能具有挑戰性；它通常需要豐富的經驗。此時您可能希望獲得有能力的幫助——例如，以與軟件用戶許可證一起提供的有用技術支持的形式.
展開 RP系列 激光分析設計軟件 | 光纖放大器與激光器建模
本教程介紹了光纖放大器和光纖激光器的建模。建模的目的應該是對此類設備的工作方式進行深入和定量的理解。在此基礎上，科學研究和產業發展都可以變得更有效率；與其“在黑暗中釣魚”，不如更系統地前進并產生成果。
本教程主要解釋概念和原理，而不是詳細的數學。畢竟，這是進入纖維建模領域最需要的：在你理解概念和原理之前，你很少使用復雜的方程。無論如何，如果您使用一些高級仿真軟件，例如我們的產品RP Fiber Power，您可以避免花費大量時間在復雜的細節上，例如求解某些微分方程。
在這里，我們專注于有源設備，其中包含一些激光有源光纖。我們主要考慮光在光纖中是如何被吸收或放大的，以及這些過程會導致設備的整體性能如何。我們還在研究超短脈沖放大器和鎖模激光器，其中光纖非線性和色散等附加效應會發揮作用。
教程分為以下八個部分:
01.簡介
物理建模是什么意思？模型與現實有什么關系？如何應用模型來促進光纖放大器和激光器的發展？實驗性的試錯法是一種合理的選擇嗎？
02.光通道
在這里，我們基本上根據它們的波長和傳播方向對涉及的光的不同部分進行分類。由 ASE 產生的寬帶信號和光可以用通道陣列來表示。這部分很簡單，但有些方面需要考慮清楚。
03.功率傳播或場傳播
一些計算機模型通過光纖傳播整個橫向場分布（數值光束傳播），而其他計算機模型僅傳播光功率。后一種方法通常就足夠了，并且允許更快的計算。
04.激光活性離子
激光活性離子的細節極其復雜。然而，非常簡化的模型通常足以在仿真模型中正確描述它們的行為。我們討論了這種模型需要什么樣的光譜數據。
05.放大器和激光器的連續波操作
在這里，我們討論如何為光纖放大器或激光模型中的光功率和激發密度找到自洽的解決方案。
展開 RP Fiber Power 光纖激光器及光纖器件設計軟件——建模原理3-4
下圖解釋了參鉺光纖放大器中的光信道：一個泵浦信道，兩個信號信道，16個放大自發輻射信道：
光信道有如下特性：
l它具有某個波長l，并且在ASE信道（用于計算放大自發輻射）的情況下，它還具有波長帶寬Dl并且用戶指定傳播模式的數量。對于單模光纖，后者可以是2，當考慮到兩個極化方向時。
l它具有傳播方向，前向（z=0?L），后向（z=L?0）。
l這里可以有一些背景損耗，單位dB/m，比如由于雜質吸收或者纖芯包層端面散射。
l在光纖兩端任何信道可以有反射。這些反射尤其用來光纖激光器建模。在2.5章節有解釋。
l在反射鏡的兩端、內部或外部可能存在附加的寄生損耗。
l橫向強度分布函數y(r)或y(r,j)，自動歸一化。對于單模光纖，y(r)通常可以用高斯模式函數很好的近似：
模式半徑w。對芯徑為a、數值孔徑為NA的階躍光纖，模式半徑可以用Marcuse公式估計
其中V為
對于雙包層光纖，多模式泵浦波通常近似為一個頂帽函數，半徑和泵浦包層的半徑相等。
軟件算法是基于每個信道的橫向強度分布的形狀在傳輸過程中保持常數的假設。這個假設通常很好的滿足了單模光纖，或者更一般的是一個信道代表一個模式。對于僅支持少數引導模式的多模光纖，可以為每個模式定義一個光通道，以便保持假設有效。但是，不能包括模式耦合。對于大量模式的多模光纖傳播，具有頂帽強度分布的單個信道是一個合理的近似。對于雙包層光纖泵浦波，如果只有弱模式混合，則可能違反此近似：泵浦強度分布可以在纖芯區域獲得一個“孔”，在那里泵浦光被吸收。這種效應通常在某種程度上受到抑制，例如使用偏心光纖纖芯或D形泵浦包層。
l最后，每一個信道可以有一些從光纖外部注入的輸入功率，比如，一個泵浦光束，或輸入光信號光束。
展開 RP 系列 | 光纖放大器和激光建模中的橫向相關性
光纖放大器和激光器中的泵浦和信號波會表現出明顯的橫向強度變化。然而，只要所涉及的波的強度分布至少相對相似，僅使用一些重疊因子而忽略橫向尺寸的計算機模型就可以產生非常合理的結果。有了合適的仿真軟件，人們就可以輕松地測試這些東西。
在對光纖放大器或光纖激光器建模時，會遇到一個問題，即是否要考慮光纖纖芯內部和周圍的光強度的橫向變化。乍一看，人們可能認為這是必不可少的，因為在這樣的光纖纖芯中，光強度的確可以有很大的變化。例如，讓我們考慮一個工作在1060 nm的摻ped單模光纖放大器，其芯半徑為3.8μm，數值孔徑為0.1。這導致了990 nm的合理單模截止，即1060 nm附近的單模工作。圖1以紅色和藍色顯示了模式分布圖，還顯示了在940 nm處（注入基本模式）的800 mW泵浦功率和10 mW信號輸入功率時，光纖輸入和輸出處的 Yb 激勵分布圖。在1060 nm處：
圖1： 摻 pump 玻璃纖維中的橫向泵浦和信號模式曲線以及Yb激發密度。
可以清楚地看到，光纖纖芯內的泵浦和信號模式強度變化很大。假設摻雜劑均勻地分布在纖芯上，則對于任何給定的光功率，the 離子將“看到”相應不同的光強度。然而，也顯示出的 excitation 激發密度（橙色曲線）變化不大。（對于975 nm的泵浦波長，相關性甚至會更弱。）事實證明，輸入處的激勵主要由泵浦強度決定，但與強飽和度（具有激勵密度）不
成正比。80％以上！）。類似地，主要由那里的信號功率確定的輸出端的激勵曲線相對平坦。
使用我們的軟件
RP Fiber Power 建立了一個準確的放大器模型，在該模型中，我們將光纖纖芯分為30個徑向段。
展開 被動鎖模激光器自啟動的建模問題的探討
有時有人問我們，我們的RP系列軟件是否適用于被動鎖模激光器的自啟動建模。討論這種情況應該會很有價值的，因為它說明了數值建模的一些典型限制。
原則上，對以上這樣的案例進行建模似乎相對簡單，例如，使用我們的軟件RP Fiber Power或RP ProPulse。它的基礎當然是一個可以模擬光在激光諧振腔中所經歷的所有相互作用的模型。初始場的結構將只是一些隨機噪聲，這些噪聲實際上來自于激光介質的自發發射，可以很容易地包含在我們的軟件中。然后，只需模擬一些足夠多的往返行程，您就會看到所得到的結果。
但是其實有一些潛在的棘手問題，接下來我們討論下：
數值軌跡的大小
在許多情況下,光在鎖模激光器的往返時間是許多數量級大于穩態脈沖持續時間:一個典型的脈沖重復率是100 MHz,對應于10 ns往返時間,而脈沖持續時間往往遠低于1 ps。在研究啟動行為時,人們自然會使用(在時域中)長度足以模擬一個完整的往返過程的數字軌跡。同時，它的時間分辨率應足以滿足穩態脈沖。但是，這將導致巨大的數值軌跡和相應的長計算時間，并可能導致有限的計算機內存問題。人們可以考慮使用短得多的數字軌跡，但這是否仍然現實并不太容易分辨出來。
至少，在高重復頻率激光器或脈沖持續時間相對較長的激光器中不會出現這種問題。
寄生反射
鎖模激光器的自啟動特性往往受到諧振腔內外寄生反射的影響。令人驚訝的是，激光往往對這種寄生效應極為敏感;即使是10 - 8級的反射率也足以引起麻煩。原則上有一些方法可以將它們放入數值模型中，但要在真正的激光器中量化這些反射往往是極其困難的。例如，反射可能來自表面或透明介質(特別是在光纖中)的隨機散射，在大多數情況下，甚至很難獲得關于這些效應的統計信息。因此，即使您有一個合適的模型，您也很難找到可靠的輸入數據。
展開 RP Fiber Power 光纖激光器及光纖器件設計軟件---簡介
另請參閱我們關于計算機模擬如何使您的激光開發更高效的詳細介紹：
快速瀏覽視頻
視頻讓您快速瀏覽整個RP Fiber Power V6軟件：如何計算光纖模式，數值模擬光束傳播，光纖放大器或激光器建模，模擬超短脈沖的傳播，以及如何利用其巨大的靈活性 內置腳本語言。 您還可以在方便的用戶界面上留下印象。 只需點擊下面的圖片，等待幾秒鐘。
不幸的是，我們還沒有時間為V7更新這個視頻，它有很多不錯的新功能：大大改進的腳本編輯器，代碼調試器，語法檢查器，腳本重新格式化等。
請注意，我們的演示頁面提供了各種其他演示視頻，可以解決軟件的更多特定方面。
應用
RP Fiber Power可用于分析和優化各種器件：
器件
應用示例
單模和多模光纖
計算模式屬性，如振幅分布，有效模式區域，有效指數，色散; 計算光纖耦合效率; 模擬彎曲，非線性自聚焦或增益引導對光束傳播的影響，高階孤子傳播
光纖耦合器，雙包層光纖，多芯光纖，平面光波電路
模擬雙包層光纖中的泵浦吸收，研究光纖耦合器中的光束傳播，錐形光纖中的光傳播，分析彎曲的影響，放大器中的交叉飽和效應，泄漏模式等。
展開 
VirtualLab：垂直腔面發射激光器 (VCSEL) 二極管陣列的建模
摘要
垂直腔面發射激光器(VCSEL)二極管陣列在許多領域都有廣泛的應用，如分束器和圖案的生成。為了能夠研究包含該光源的光學系統，需要一個合適的光源模型。本文檔展示了如何在VirtualLab Fusion中建模VCSEL陣列源。
建模任務：VCSEL模式陣列建模
光源建模 – 單個VCSEL
利用參數耦合在網格上定位VCSEL
結果
5×5 VCSEL 陣列的強度分布
VirtualLab Fusion中的工作流程
文件信息
延伸閱讀
-用兩個不相關的拉蓋爾模對VCSEL光源進行建模
-使用VirtualLab Fusion仿真多光源
展開 垂直腔面發射激光器 (VCSEL) 二極管陣列的建模
摘要
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