激光分析設計的案例
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
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下一期講解第 10 部分：多級光纖放大器
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下一期講解第 6 部分：用于大功率操作的雙包層光纖
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展開 光纖激光器設計軟件 | RP Fiber Power 仿真環形腔光纖激光器模型
今天講講在 RP Fiber Power 里面仿真環形腔光纖激光器。首先，RP Fiber Power 里面有單位的定義和光譜數據的集合文件（根據需求也可以自定義），我們可以直接調用；然后，定義光纖的結構，信道等基本參數和模型的搭建；最后，使用自帶的函數和命令，顯示想要輸出的數值結果和圖形輸出。下圖顯示了環形腔摻Yb光纖激光器的模擬結果。
（1）光纖中不同位置處的功率分布情況
（2）輸出功率隨輸入功率變化情況
（3）不同光纖長度下的功率分布情況
（4）徑向函數圖
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RP 系列 激光分析設計軟件
不用找了，激光器設計（RP 系列）視頻在這里，免費看！
RP Fiber Power用于設計和優化光纖器件，特別是光纖放大器和激光器以及其他類型的波導激光器，還有光纖耦合器，多芯光纖，螺旋芯光纖和錐形光纖等。RP Resonator 用于光學諧振腔計算。RP ProPulse 用于模擬脈沖傳播。RP Coating 用于設計光學多層結構，開發激光反射鏡，色散反射鏡，濾光片和偏振器等。RP Q-switch 用于主動或被動Q開關固態激光器的計算，以及連續波激光器中的尖峰現象。
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、RP系列激光分析設計軟件、VariCAD 機械設計軟件、MATHEMATICA 科學計算軟件 等產品的推廣、銷售、咨詢、培訓、技術支持、軟件二次開發及解決方案等服務，輔助高校教學科研、研究所進行高端技術研發以及光機電廠商利用光學軟件研發各領域的光學器件與光機系統，在最短時間內完成量產并獲利。
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下一期將講解第 2 部分：增益和泵吸收
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展開 光纖激光器設計軟件 | RP Fiber Power仿真脈沖放大器模型
光纖激光器軟件設計
RP Fiber Power仿真脈沖放大器模型
講講脈沖放大器在 RP Fiber Power 中的演示結果。基于初始脈沖的基本性能包括脈寬、重頻等的定義，脈沖傳輸的定義，加上光纖的結構和模型的搭建就可以簡單的模擬脈沖經過光纖放大器傳輸的結果。復雜模型比如考慮多模，多摻雜系統，動態仿真等在此基礎上添加相關參數代碼即可。下圖顯示了拋物線型脈沖作為輸入信號光經過摻Yb光纖激光器之后的結果圖。
（1）時間序列圖
（2）頻域圖
（3）強度分布
（4）光纖中不同位置處脈沖的輸出性能參數變化
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RP 系列 激光分析設計軟件
展開 RP 系列激光分析設計軟件 | 光束質量
RP 系列激光分析設計軟件
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校準激光器 | RP 系列激光分析設計軟件
</span></p><p class="ql-align-justify"><span style="color: rgb(0, 0, 0);">注意，由于通常相當小焦距在所使用的準直光學器件中，即使準直透鏡相對于激光二極管輸出發生非常微小的位移，也會導致光束方向發生顯著變化。例如，這種位移可能由熱膨脹效應或機械沖擊引起。因此，適當的機械設計對于輸出光束的穩定性至關重要。</span></p><p class="ql-align-justify"><br></p><p><strong>激光器外殼</strong></p><p><br></p><p class="ql-align-justify"><span style="color: rgb(0, 0, 0);">對于準直激光器來說，外殼可能不僅具有保護實際激光器和固定激光器的功能，而且還可以為光束方向提供參考，或者將光束與某些機械部件對準。因此，某些對準激光模塊的光束方向與外殼的某些特征精確對準，例如與圓柱形外殼的旋轉軸。對于其他設備，不存在這種明確定義的方向，并且通常不需要它，例如因為光束無論如何都會與其他裝置對準。</span></p><p class="ql-align-justify"><span style="color: rgb(0, 0, 0);">一些緊湊型準直激光器具有近似圓柱形的外殼，可以通過螺紋安裝在平板上。其他形狀為長方體。當然，與基于熱塑性材料的廉價外殼相比，例如由不銹鋼制成的剛性外殼可以以更高的精度和穩定性安裝。通過適當的機械部件，準直激光器也可以固定在光學導軌系統上。</span></p><p class="ql-align-justify"><span style="color: rgb(0, 0, 0);">為了在惡劣條件下運行，設備可能具有防水外殼，也不會被灰塵滲透。
展開 RP 系列激光分析設計軟件 | 激光器的穩定
利用這種有源系統實現的穩定性由諸如光檢測噪聲、控制元件的帶寬、反饋電子設備的設計以及參考標準(例如光學參考腔)的穩定性等因素決定。
無源方案穩定激光
無源方案不涉及電子設備，完全基于光學效應。例如:
同步兩個人的鎖模激光器 有可能通過交叉相位調制在一個克爾介質，其中兩個激光器的腔內 脈沖相遇。
激光器的頻率可以通過穩定的參考腔的光反饋來穩定。 (這也可以被認為是使用擴展的激光諧振器，是一種復合腔)。
通過克爾介質中的交叉相位調制，兩個鎖模激光器的同步成為可能，兩個鎖模激光器的內腔脈沖在克爾介質中相遇。 激光器的光頻也可以通過注入鎖定來穩定，即從另一個激光器注入具有高穩定光頻的光束。
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。
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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。
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三部分
對于通過放大器或激光光纖的傳播，當然需要考慮光纖中的吸收和放大，包括飽和效應。
在簡單的功率傳播就足夠的情況下，不要在數值光束傳播上浪費時間！
一般來說，數值光束傳播的計算工作量遠高于簡單的功率傳播算法，如上文所述，可以應用于具有固定橫向強度分布的情況。此外，很難在激光諧振腔中找到自洽的解決方案（模式）。例如，仿真軟件通常只提供單程傳播，但不提供激光器自洽穩態解的計算。
關于雙包層光纖，我們已經看到數值光束傳播可用于研究某些在簡化模型中會被忽略的泵浦吸收現象，假設泵浦光的強度分布固定（例如，頂帽分布） . 另一方面，數字上的努力變得更加嚴重。因此，在實踐中，必須確定所提到的現象類型是否令人感興趣。如果要研究的主要方面是在不同的領域——例如，與纖芯內的過程相關的現象——可能會決定使用簡化模型，因為泵吸收的模型不是很精確。應該記住，最好的模型不一定是最準確的模型，而是最適合完成工作的模型。
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一部分
為了獲得我們在放大器和激光器設計中通常需要的定量答案，我們需要包含大量數學的定量模型。事實證明，求解某些看起來相對單純的微分方程可能非常困難，需要復雜的算法。但是，如果您使用制作精良的軟件工具，則不必處理此類細節。相反，您只需要以某種方式為軟件提供相關輸入并將其配置為計算所需的輸出并正確顯示它們。只有軟件開發人員在所涉及的數學方面遇到了所有麻煩。
沒有任何型號就不可能開發激光器或放大器！
順便說一句，在沒有任何模型的情況下，也就是在沒有這種設備的某種心理表征的情況下，開發諸如光纖激光器和放大器之類的事情是完全不可能的。至少，您需要一些關于這些設備的功能以及如何改進它們的想法。然而，這種心智模型可能還不夠。原因之一是它們無法為您提供可靠的定量結果。
您如何從模型中受益？
無論您是在工業界工作還是科學研究人員，您都需要產生結果：例如，
? 讓某個光纖放大器正常工作，或
? 提高對某些設備的理解是過程。
這是模型可以非常支持您的工作的地方。但是，您應該始終牢記，模型應該用作產生結果的工具，而不是您的工作目的。
一開始，明確提出你的問題和目標！這可能需要一些紀律，但這是非常值得的。
強烈建議您在投入大量時間或金錢進行建模之前，清楚地制定您想要解決的所有問題以及您想要達到的目標。例如，您的列表可能如下所示：
? 如果我得到某種光纖，期望我可以用它來達到某種性能水平（例如，某種波長的信號輸出功率）是否現實？
? 如果是，在什么情況下可能？例如，所需的泵浦功率和泵浦波長、最佳光纖長度等是多少？
在另一種情況下，您的問題可能完全不同：
? 纖維中發生的某種已知效應是否可能是未達到特定性能水平的原因？
? 在哪些情況下這種影響可能是有害的，我該如何減輕或消除它？
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
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。
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