被动锁模激光器自启动的建模问题的探讨

2021-05-20 10:18发布

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有时有人问我们,我们的RP系列软件是否适用于被动锁模激光器的自启动建模。讨论这种情况应该会很有价值的,因为它说明了数值建模的一些典型限制。

原则上,对以上这样的案例进行建模似乎相对简单,例如,使用我们的软件RP Fiber PowerRP ProPulse。它的基础当然是一个可以模拟光在激光谐振腔中所经历的所有相互作用的模型。初始场的结构将只是一些随机噪声,这些噪声实际上来自于激光介质的自发发射,可以很容易地包含在我们的软件中。然后,只需模拟一些足够多的往返行程,您就会看到所得到的结果。 

但是其实有一些潜在的棘手问题,接下来我们讨论下:

数值轨迹的大小

在许多情况下,光在锁模激光器的往返时间是许多数量级大于稳态脉冲持续时间:一个典型的脉冲重复率是100 MHz,对应于10 ns往返时间,而脉冲持续时间往往远低于1 ps。在研究启动行为时,人们自然会使用(在时域中)长度足以模拟一个完整的往返过程的数字轨迹。同时,它的时间分辨率应足以满足稳态脉冲。但是,这将导致巨大的数值轨迹和相应的长计算时间,并可能导致有限的计算机内存问题。人们可以考虑使用短得多的数字轨迹,但这是否仍然现实并不太容易分辨出来。

至少,在高重复频率激光器或脉冲持续时间相对较长的激光器中不会出现这种问题。

寄生反射

锁模激光器的自启动特性往往受到谐振腔内外寄生反射的影响。令人惊讶的是,激光往往对这种寄生效应极为敏感;即使是10 - 8级的反射率也足以引起麻烦。原则上有一些方法可以将它们放入数值模型中,但要在真正的激光器中量化这些反射往往是极其困难的。例如,反射可能来自表面或透明介质(特别是在光纤中)的随机散射,在大多数情况下,甚至很难获得关于这些效应的统计信息。因此,即使您有一个合适的模型,您也很难找到可靠的输入数据。

非均匀增益饱和

使用的激光增益介质的增益饱和特性也会对自启动细节产生很大的影响,即使这些细节对产生的稳态脉冲的参数没有很大的影响。但这是另一个很难量化的细节。

结论

最后,请注意,虽然在原则上,上面所述的任务看起来很简单,但在各个方面可能相当困难。在这种情况下,数值建模在实践中往往非常困难,并且不太实用。所以,我们建议大家仔细思考一下,一个人到底想从这样的模式中学到什么,是否值得为此付出大量精力。

请注意,这些问题与锁模激光器中的脉冲传播建模具并没有实质性好处(例如优化激光设计的好处)。通常,我们会以一个起始脉冲开始模拟,其参数离预期的稳态参数不太远。例如,如果激光器产生6-ps sech2形状的脉冲,那么简单地用10-ps高斯脉冲开始模型通常不会有什么坏处。所需的数值轨迹时间长度通常只是脉冲持续时间的一个小倍数,使用的复振幅数量相当适中(如28或210)。通常情况下,即使起始脉冲不是特别接近稳态,也不需要计算出稳定状态。除了稳定状态之外,人们当然还可以调查额外的细节,比如对小扰动的响应——通常所有的研究和开发工作都需要这些


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