RP Fiber Power 稳态下的脉冲放大

2021-05-18 10:38发布

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模拟光纤放大器中超短脉冲的放大,可以用合适的软件,例如我们的RP Fiber Power 软件。一个经常会遇到的问题是如何模拟一个脉冲序列的放大,脉冲重复率为80mhz,例如,在稳定状态下,该软件可以很容易地模拟放大器的任意初始状态的放大(有关激光激活离子的激发),但它可能是一个挑战,即如何正确地确定该放大器的稳态状态。根据具体情况,可以使用不同的方法,我们将在下面讨论这些方法。您可能会发现它们与我们的RP Fiber Power 软件或您自己的代码结合起来很有用,只要它足够灵活。

使用连续波模拟

在某些情况下,您可以使用一种简单且计算速度非常快的方法。这里,您用连续波输入代替脉冲序列来计算放大器的稳态。该信号输入的光功率等于脉冲序列的平均功率(即脉冲能量和脉冲重复率的乘积),其波长是输入脉冲的平均波长。当您让软件计算这个简单情况下的信号输出功率(即平均功率)时,它会给出一个接近稳定状态的脉冲放大器,前提是满足以下条件:

  • 脉冲能量远低于放大器的饱和能量,这意味着增益饱和对于单个脉冲是可以忽略不计的,只有在快速脉冲序列中才会变得相当可观。在高重复频率的情况下,如80mhz,这个条件通常很好地满足。

  • 脉冲的光带宽并不是很大,因此放大器增益在这个带宽内有很大的变化。对于低于100 fs的脉冲持续时间,或具有较长脉冲的强啁啾,这可能是一个问题,但我们有一个简单的解决方案(见下文)。

  • 在放大过程中,脉冲频谱不会实质上转移到其他波长,在那里增益可能会降低或提高,或由于非线性效应而强烈地扩大。在许多情况下,这一条件可以得到满足,但还有一些其他条件,将在下面进一步讨论。

当然,使用我们这样的RP Fiber Power 软件可以很容易地实现上述方法的自动化。您只需定义光纤放大器模型与一个单一的“光通道”,正如我们上述所说的,有一个波长和输入功率。然后您调用任何输出,例如信号输出功率,来触发稳态计算——这通常需要不到一秒钟,即使您必须包括放大自发发射(ASE)的前后方向。然后放大器模型就会处于稳态,您只需要发送一次超短脉冲就可以模拟放大效果。

对于宽带脉冲,当上述第二个条件不满足时,可以使用一个相对简单的泛化方法。您使用一组具有特定波长间隔的信号通道,而不是单个信号通道。对于每个通道,你应用一个输入功率,它是总功率的一部分,仅仅根据输入脉冲的频谱。这样,模型可以考虑脉冲频谱内的波长依赖性。作为一个完整的检查,您可以将产生的连续波输出频谱与模拟脉冲频谱进行比较。

需要特别注意的是,在高增益放大器中,即使增益在增益谱内只有10%的变化,您也可以看到显著的影响:30dB的10%是3dB,即产生的功率谱密度的2倍。

在我们的RP Fiber Power 软件中,您不需要手动输入所有不同的信号通道,它们的波长和功率等,而是用环路结构产生这些东西。作为输入,您只需要定义一些参数,比如信号通道的数量和它们的波长间距,然后您就可以通过一些简单的公式得到所有的细节。稍后,您可以简单地检查如果您使用更多的信号通道,结果是否会改变。无论如何,这样的模拟仍然非常快,您不需要担心计算时间的问题。

迭代法

在某些情况下,上述简单方法不起作用。如果脉冲频谱的演化不能用连续波模型恰当地描述——这通常是因为光纤的非线性,只有超短脉冲(具有大量峰值功率)才会经历这种非线性。例如,如果脉冲在飞秒范围内,脉冲可能会由于自相位调制(SPM)而发生强烈的光谱展宽。

一个概念上简单的方法是直接模拟现实中发生的事情:您只需要从放大器的任意初始状态(例如非激发态)开始,然后模拟随后的脉冲放大,直到输出脉冲不再发生很大变化。每个脉冲放大将从激光活性离子中带走少量能量,而泵浦源在每个脉冲周期中增加一些能量。储存在放大器中的能量将缓慢上升,直到它达到一个水平,能量提取和抽运的影响只是相互抵消。

但其实这种简单的方法通常并不实用,因为必须模拟太多的脉冲,这需要过多的时间。例如,对于一个80mhz的脉冲序列,需要数千个脉冲才能达到稳定状态。即使单个脉冲的传播只需要半秒,如果要进行数千次的传播,您需要等待的时间也会超过预期。

解决这个问题的一个不错的方法是人为地降低脉冲重复频率,例如将其降低1万倍,同时人为地将增益饱和强度提高1万倍。后者通常不能简单地通过使用10,000倍高的输入脉冲能量来实现,因为这也会使非线性效应相应地更强。但是,我们的RP Fiber Power 软件提供了一个很好的解决方案:您可以简单地包含函数调用set_gain_sat(10000);这使得增益饱和更强,而不改变非线性效应。

如果您按照上述方法去做,您可能只需要20或50个脉冲传播达到稳定状态,整个计算可能只持续几秒钟。为了得到准确的结果,您应该降低脉冲重复率,这样单个脉冲的放大会导致增益饱和几个百分点。当然,您可以简单地尝试一下结果如何取决于这个因素,从而找到速度和精度之间的平衡。

听取专家的意见

如果您自己还不是这方面的专家,您就需要一些技术支持。如果您是我们的软件的用户,您可以从我们那得到技术支持,这将不限于纯粹的特定于软件的细节。例如,如果模型向您显示放大功能不能按预期工作,您可以得到有关如何优化配置的有价值的建议。显然,这样高质量的支持——实际上是激光技术的技术咨询——可以为您的项目带来巨大的好处。


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