RP 系列 | 无效的激光模拟

2021-04-29 15:14发布生成海报

激光中会发生多种现象，可以使用合适的软件很好地模拟这些现象。但是，在某些情况下，很难获得正确的结果。甚至简单的仿真方法也无法提供不切实际的结果。在这里，我们举一个例子说明这种情况。有人要求我们为灯泵浦高能激光器的脉冲动力学建立仿真。乍一看，这看起来非常简单。但是，很快就会意识到了一个巨大的困难。

复杂模式动态

为了有效地提取高能量，激光晶体中的光束面积必须相当大。另一方面，为了获得短脉冲，激光谐振器需要很短。在那种情况下，不可能设计出具有高光束质量的激光器：晶体中的谐振器模式尺寸必须远远小于晶体的横向尺寸，这样您就可以在许多横向谐振器模式下运行。现在，您可能不太在乎光束质量，为什么该细节对于动力学仿真如此重要？

问题的第一部分是横向模式与晶体的泵浦区域具有不同的重叠，因此也具有不同的激光增益。在我们的案例中，这个细节尤为重要，因为我们正在研究一种自由运行的激光器，该激光器在每个谐振器往返净增益稍微为正时就开始生成脉冲。在某些模式下可能满足该条件，但在另一些模式下则无法满足；通常，一些模式将开始获得增加的功率，但是由于获得的增益不同，其增长率也将大大不同。

接下来是下一个问题：我们将主要通过那些强模式获得增益饱和，而饱和度主要影响那些模式本身，并且仅在较小程度上影响其他模式，这些模式具有明显不同的横向强度分布。因此，原始激光模式的功率增长将下降，而其他激光模式将逐渐获得更多功率。总的来说，我们得到了许多模式的复杂相互作用，部分竞争着激光增益。这些复杂的动力学特性还将影响所有模式下总光功率的变化。

简化的模型无法正确描述激光器的实际行为，在极端（但经常使用）的情况下，该模型仅具有单个动力学变量来激发晶体中的激光活性离子，而腔内光功率为第二个动态变量。

较复杂的模型可以提供帮助吗？

为了更现实，必须区分许多激光模式的功率以及晶体中许多不同位置的激发密度。这样的模型将更加复杂，并且将需要更多的计算时间。另外，应该意识到，系统的详细发展还将对诸如热透镜，增益引导和不同模式之间的干扰之类的效应非常敏感。很难估计这种影响在具体情况下到底有多严重。但是，很显然，即使是非常复杂的计算机模型也不能简单地被信任来提供正确的（现实的）结果。原则上，可以使用 Fox-and-Li 方法，即，考虑到对该波的各种影响，只是多次将波传播通过晶体。可能吧，人们甚至不得不使用光学频率略有不同的多个波。即使没有这些，由于每次往返的模拟都需要花费大量时间，并且通常需要模拟许多往返，特别是对于自由运行的激光器，因此计算将非常缓慢。

在某些情况下，避免建模！

因此，在这种情况下，经验丰富的专家应告诉客户不幸的是，数值建模不切实际，必须使用其他解决方案。这就是我所做的。客户可能并不完全满意，但是应该在浪费大量资源之前及时得到警告。

请注意，许多人不会意识到这样的困难，因此可能会组装一个计算机模型，而不知道结果将是不可靠的。这再次表明，在实践中，不仅应该拥有功能强大的软件，而且应该有经验丰富的人士的技术支持，他们可以警告您这些问题。（单靠软件通常不会给您这样的警告！）否则，您可能会浪费大量时间，首先是要建立一个产生不可靠结果的模型，然后才是被这些结果所误导的模型。不难想象这会对某些开发项目造成多大破坏。

幸运的是，简化模型在许多其他情况下都是相当可靠的。因此，当然不应得出这样的结论：最好不要完全建模。取而代之的是，只需要找出它在哪里实用和有用的地方，而在哪里却没有。如果您获得称职的技术支持，即使您的专业知识有限，也可以安全地工作。

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