多激光建模的案例
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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
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(chǎn)業(yè)發(fā)展都可以變得更有效率；與其“在黑暗中釣魚”，不如更系統(tǒng)地前進并產(chǎn)生成果。
本教程主要解釋概念和原理，而不是詳細的數(shù)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(chǎn)品RP Fiber Power，您可以避免花費大量時間在復雜的細節(jié)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(fā)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(xiàn)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(fā)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(jù)它們的波長和傳播方向?qū)ι婕暗墓獾牟煌糠诌M行分類。由 ASE 產(chǎn)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(shù)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(jié)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(shù)據(jù)。
05.放大器和激光器的連續(xù)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(fā)密度找到自洽的解決方案。
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(xù)波操作
6：放大和產(chǎn)生短脈沖
7：超短脈沖
8：使用自制軟件還是商業(yè)產(chǎn)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(yè)產(chǎn)品？
我們已經(jīng)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(yè)產(chǎn)品。
人們可以只考慮那些可以合理預期會產(chǎn)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(yè)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(yè)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(chǎn)品是否適合該工作。許多商業(yè)軟件產(chǎn)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(wǎng)站上免費提供非常全面的材料。這包括對軟件產(chǎn)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(nèi)確定軟件對特定工作的適用性。
我們的產(chǎn)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
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(xù)波操作
6：放大和產(chǎn)生短脈沖
7：超短脈沖
8：使用自制軟件還是商業(yè)產(chǎn)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(xiàn)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(shù)學方程和數(shù)值數(shù)據(jù)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(xiàn) 50 個數(shù)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(tài)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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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
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(xù)波操作
6：放大和產(chǎn)生短脈沖
7：超短脈沖
8：使用自制軟件還是商業(yè)產(chǎn)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(jié)！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(xiàn)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(fā)揮作用。
為了有用，模型必須比現(xiàn)實簡單。
模型總是比它應該類似于的現(xiàn)實簡單得多。現(xiàn)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(xiàn)實的許多方面。例如，為了對光纖放大器中發(fā)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(zhì)的相互作用。
如果您自己還不是很有經(jīng)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(xiàn)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(xiàn)實，但同時又不會過于復雜。這部分工作可能具有挑戰(zhàn)性；它通常需要豐富的經(jīng)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第六部分
畢竟，通常級別的生命周期要長得多。數(shù)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(shù)值步長可能必須遠低于亞穩(wěn)態(tài)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(diào)Q激光器
在模擬調(diào)Q光纖激光器時，一些新的方面開始發(fā)揮作用。我們現(xiàn)在需要考慮傳播時間，因為激光諧振器的往返時間現(xiàn)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(nèi)，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(diào)制器（Q 開關）的自由空間區(qū)域。因此，至少對于激光來說，需要某種數(shù)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(diào)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(nèi)輸出功率和激發(fā)電平的演變。由此產(chǎn)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(nèi)，功率會有很大的變化，這在 Q 開關體激光器中通常不會發(fā)生。這種現(xiàn)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(nèi)的光功率分布非常不均勻（處于相當?shù)偷乃剑Ｈ绻?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(chǎn)生尖峰結構。
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(xù)波操作
6：放大和產(chǎn)生短脈沖
7：超短脈沖
8：使用自制軟件還是商業(yè)產(chǎn)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(shù)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(fā)發(fā)射(ASE) 的光（請參閱我們的光纖放大器教程的第 4 節(jié)）。
盡管原則上可以將整個光場描述為一個整體，但區(qū)分一些我們稱之為光通道的數(shù)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(qū)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(fā)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 Fiber Power 光纖激光器及激光器設計軟件—多模光纖放大器
考慮多模光纖，并給定折射率分布及Yb的摻雜分布。腳本程序首先計算了傳導信號模式。其次，定義了抽運信號（設定抽運功率集中于LP01模），信號光的波長及其導波模式（忽略偏振態(tài)的差異）。
圖1為徑向模式函數(shù)曲線，表現(xiàn)了每個模式的增益。
圖2為所有信道功率的變化。
RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設計軟件—多模光纖內(nèi)光束的特性(模式分布的模擬)
該程序模擬了幾種導波模式下光纖內(nèi)光束的傳輸特性。采用高斯光束入射，可與纖芯偏移，也可相對光纖軸向傾斜入射。此程序計算了所有模式的振幅分布，也可有效計算光纖輸出端的強度分布。除各輸出模式功率的計算之外，也可獲得以下圖形：
圖1為各導波模式的功率與入射光束位置的關系。
圖2為個導波模式的功率與光束斜入射角的關系。
圖3為給定光束偏移量下輸出光束的強度分布。
圖4為給定光束斜入射角下輸出光束的強度分布。
RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設計軟件—多信號摻鉺光纖放大器
多個等間隔信號入射至摻鉺光纖放大器。各信號具有不同的增益值及輸出功率。同時,圖2為噪聲指數(shù)。對于長波長,重吸收效應較弱,噪聲指數(shù)較低。
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(shù)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(jīng)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(zhì)的自發(fā)發(fā)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(shù)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(shù)量級大于穩(wěn)態(tài)脈沖持續(xù)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(xù)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(shù)字軌跡。同時，它的時間分辨率應足以滿足穩(wěn)態(tài)脈沖。但是，這將導致巨大的數(shù)值軌跡和相應的長計算時間，并可能導致有限的計算機內(nèi)存問題。人們可以考慮使用短得多的數(shù)字軌跡，但這是否仍然現(xiàn)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(xù)時間相對較長的激光器中不會出現(xiàn)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(nèi)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(shù)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(zhì)(特別是在光纖中)的隨機散射，在大多數(shù)情況下，甚至很難獲得關于這些效應的統(tǒng)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(shù)據(jù)。
展開 Ansys Zemax | 使用OpticStudio進行閃光激光雷達系統(tǒng)建模（下）
在消費類電子產(chǎn)品領域，工程師可利用激光雷達實現(xiàn)眾多功能，如面部識別和3D映射等。盡管激光雷達系統(tǒng)的應用非常廣泛而且截然不同，而“閃存激光雷達”解決方案適用于在使用固態(tài)光學元件的目標場景中生成可檢測的點陣列。
憑借在針對小型封裝獲取三維空間數(shù)據(jù)方面的優(yōu)勢，固態(tài)激光雷達系統(tǒng)在智能手機和筆記本電腦等消費類電子產(chǎn)品中日益普及。
在這個系列的文章中，我們將探討如何使用OpticStudio對此類系統(tǒng)進行建模，包括從序列起始點到集成機械外殼的整個流程。該文章為閃光激光雷達系統(tǒng)建模系列文章的最后一篇。（點擊查看上期文章）
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簡介
激光雷達系統(tǒng)在工業(yè)界中有著多種場景下的應用，對應于不同種類的激光雷達系統(tǒng)（比如用于掃描元件或確定視野的系統(tǒng)等），本示例將主要探索如何使用衍射光學元件來復制光源陣列在目標場景中的投影。成像透鏡系統(tǒng)隨后可觀察到投影的光源陣列，以獲取投射光線的飛行時間信息，進而生成投影點的深度信息。
在第三部分中，我們會介紹如何使用 Prepare for OpticsBuilder 將光學模型轉換為 .ZBD 文件。通過轉換，我們能夠在 OpticsBuilder 中打開光學模型，并用于受支持的 CAD 平臺，以生成機械外殼并執(zhí)行光線追跡驗證。
使用Prepare for OpticsBuilder
在前兩篇文章中，我們已經(jīng)在OpticStudio中為閃存激光雷達系統(tǒng)創(chuàng)建了一個完整的端到端模型。
展開 Ansys Zemax | 使用 OpticStudio 進行閃光激光雷達系統(tǒng)建模（中）
在消費類電子產(chǎn)品領域，工程師可利用激光雷達實現(xiàn)眾多功能，如面部識別和3D映射等。盡管激光雷達系統(tǒng)的應用非常廣泛而且截然不同，但是 “閃光激光雷達” 解決方案通常都適用于在使用固態(tài)光學元件的目標場景中生成可檢測的點陣列。憑借具有針對小型封裝結構但可獲取三維空間數(shù)據(jù)方面的優(yōu)勢，固態(tài)激光雷達系統(tǒng)在智能手機和筆記本電腦等消費類電子產(chǎn)品中日益普及。在這個系列的文章中，我們將探討如何使用 Ansys Zemax OpticStudio 對此類系統(tǒng)進行建模，包括從序列初始設計到集成機械外殼的整個流程。
該文章為閃光激光雷達系統(tǒng)建模系列文章的第二篇。（點擊查看第一篇）
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簡介
激光雷達系統(tǒng)在工業(yè)界中有著多種場景下的應用，對應于不同種類的激光雷達系統(tǒng)（比如用于掃描元件或確定視野的系統(tǒng)等），本示例將主要探索如何使用衍射光學元件來復制光源陣列在目標場景中的投影。成像透鏡系統(tǒng)隨后可觀察到投影的光源陣列，以獲取投射光線的飛行時間信息，進而生成投影點的深度信息。
在本文中，我們將介紹如何將上篇的序列模式起始結構進行轉換，并向非序列模型中添加更多細節(jié)。我們還將應用 ZOS-API 在閃光激光雷達系統(tǒng)中生成一些時間飛行結果。
初始轉換至非序列模式
為了觀察這兩個模塊結合成為整個系統(tǒng)將如何工作，我們可以在每個系統(tǒng)中使用 “轉換至非序列模式組” 工具（可以在 文件選項卡…轉換至非序列模式組 中找到）來生成照明和成像子系統(tǒng)的非序列模型。
展開 多學科統(tǒng)一的多體動力學建模方法
在現(xiàn)代的機電系統(tǒng)中，例如機器人、機械臂、車輛等，是多學科相互作用、相互交叉的，包括機械、電學、液壓、熱學等學科，如何分析這些系統(tǒng)的動力學耦合特性就顯得特別有意義，如果以單個學科的角度或以局部組件為對象進行分析，雖然很多局部的細節(jié)考慮到，而各個系統(tǒng)間的相互作用卻被簡化了，相反的如果從整個系統(tǒng)的角度，彼此之間的交互作用卻是十分重要的，也是十分突出的。在多學科多體系統(tǒng)動力學的分析中，應該包括建模和分析，即建立的動力學方程和利用數(shù)值方法進行求解，最后形成了仿真分析，如下圖所示
在多學科耦合系統(tǒng)動力學建模和分析的方法也很多，包括線狀圖法（Linear graph）、鍵合圖法（Bond graph）、圖論（Graph theories）、“等效”方法。
線狀圖方法是數(shù)學的一個分支，主要研究系統(tǒng)拓撲學，由L.Euler在18世紀左右提出，在20世紀擴展到物理建模中。鍵合圖法在1959年由H.M.Paynterti提出，是以能量守恒原理為基礎，以勢、流、變位和動量四個廣義變量表示各個物理參數(shù)，具有因果關系，但是多適用于平面模型建模，在三維多體系統(tǒng)中較為復雜，還有待發(fā)展，鍵合圖如圖圖所示。
一些學者在線狀圖和鍵合圖的基礎上提出了圖論的多體建模方法。其中Waterloo大學的John.McPhee教授利用圖論方法建立機電耦合系統(tǒng)的動力學方程提出較具體的方法。
下面介紹屬于“等效”的方法。采用虛功原理建立多學科的系統(tǒng)動力學方程，這種方法依賴于選擇獨立的廣義坐標，能夠描述系統(tǒng)的配置。通過對多個學科的物理量的等效對應關系，便可以依據(jù)多體動力學方法進行建模求解。
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