RP系列 激光分析设计软件 | 光纤放大器与激光器建模第二部分

2022-05-24 11:27发布

本教程包含以下部分:

1:简介

2:光通道

3:功率传播或场传播

4:激光活性离子

5:放大器和激光器的连续波操作

6:放大和产生短脉冲

7:超短脉冲

8:使用自制软件还是商业产品?

以下是Paschotta 博士关于光纤放大器和激光器建模教程的第 2 部分。


第 2 部分:光通道

在光纤放大器或光纤激光器的定量模型中,我们需要以某种方式描述在光纤中传播的光。具体应该如何做,很大程度上取决于具体情况。

在大多数情况下,我们处理的是不同波长的不同光波——例如,泵浦波和信号波。在更复杂的情况下,我们可能有多个泵浦和信号波,也可能有来自放大自发发射(ASE) 的光(请参阅我们的光纤放大器教程的第 4 节)。

尽管原则上可以将整个光场描述为一个整体,但区分一些我们称之为光通道的数量通常是非常明智的。在放大器模型中,我们可能有

• 一个或多个泵通道,

• 一个或多个信号通道,

• 通常在 10 到 100 个 ASE 通道之间。

我们将 ASE 光分成具有不同波长的多个通道,通常使用等距的波长值。每个 ASE 通道代表一些窄波长区域,其中光子能量和跃迁横截面等属性近似恒定。当然,在某些情况下 ASE 可以完全忽略——例如,当放大器增益太低而 ASE 不重要并且人们对那个低电平 ASE 不感兴趣时。

泵和信号通道通常被认为是单色的。对于这些,通常不考虑自发辐射。在宽带信号的情况下,当然可以再次使用具有不同波长的通道阵列。

图 1: 掺铒光纤放大器模型中的光通道。


例如,图 1 显示了为一个简单的掺铒光纤放大器模型选择的光通道。ASE 通道的波长范围为 1520 nm 至 1600 nm,间距为 5 nm。两个信号通道也在该波长范围内,但分别处理:我们仅考虑这些信号输入,而仅考虑 ASE 通道的自发发射。

另一个重要方面是传播方向。每个光通道描述的光要么从左侧传播到右侧(我们称之为正向),反之亦然(反向)。


每个光通道仅代表一个传播方向。

在许多情况下,某些波长的光在两个方向上传播。例如,可能有一个双通放大器或一个线性激光谐振器。在有源光纤的一端或两端,光可能会被反射,我们用一些反射率定量地描述了这一点,这当然取决于光通道(通常是由于波长依赖性)。在许多情况下,反射是直接发生在光纤端(例如,由于裸端的菲涅耳反射)还是发生在更大的距离(例如,使用额外的无源光纤制成的环形反射器)并不重要。只有反射率是相关的,即返回多少光。

总之,一个光通道的特点是

• 它的波长(可能是窄波长区域的中心波长)

• 它的带宽(对于 ASE 通道,但不适用于单色泵浦或信号通道)

• 它的传播方向(向前或向后)

• 它在光纤中的空间特性——将在下一节中讨论。

对于涉及超短脉冲的模拟,必须考虑更多细节;我们在后面第 7 节中会讲述。


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