RP系列 激光分析设计软件 | 光纤放大器设计教程
本教程既可以作为光纤放大器的介绍，也可以用于了解有关它们的更多详细信息。我们相信，即使是已经对光纤放大器有丰富经验的人，也会发现它有助于加深理解。重点是基础物理和由此产生的技术后果；我们不会简单地将光纤放大器视为“黑匣子”，而是深入了解内部。
我们不会深入到数学细节，而是尝试创建对操作原理的直观理解——通常通过用数值模拟的示例案例展示某些效果。RP Photonics的仿真和设计软件RP Fiber Power是用于此类目的的出色工具，并已广泛用于本教程。
在这里，我们专注于包含一些激光活性掺杂剂的活性光纤。有关光纤的基础知识，我们将在后续的教程中讲解。
光纤放大器最重要的应用可能是光纤通信，即通过光纤传输数据。在长距离传输系统中，需要周期性地恢复信号的光功率，例如每 50 公里的光纤。此外，还有一些放大器用于提高产生信号的低功率激光二极管的输出，尤其是在将信号分成许多光纤之前（例如，在有线电视 = CATV 中）。有时，在接收器之前使用放大器以获得更好的光电检测信噪比。完全不同的应用是在高功率激光系统中，其中光纤放大器将激光辐射提升到巨大的功率水平——通常用于连续波源，但也用于短波和超短脉冲源。本教程涵盖了所有此类应用程序的基础。
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第一部分：纤维中的稀土离子
光纤中的铒或镱离子如何放大光？我们如何描述具有复杂 Stark 能级流形和有效跃迁截面的此类离子的行为？为什么有效过渡截面与温度有关？带内抽水如何工作？为什么纤维中的饱和效应通常非常强？
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第二部分：如何描述光
如何从激发密度计算增益和泵吸收？为什么增益或损耗光谱的形状通常取决于激发程度，例如在掺铒和掺镱光纤放大器中？
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第三部分：稳定状态的自洽解决方案
如何计算沿光纤的光功率和激发密度的自洽稳态解？什么情况下这么难？拍摄方法和放松方法有什么限制？
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第四部分：放大的自发辐射
什么是放大自发发射 (ASE)？哪些因素会影响其强度？为什么 ASE 的功率和光谱形状强烈依赖于传播方向？为什么 ASE 经常限制可实现的放大器增益？
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第五部分：向前和向后泵送
正向和反向抽吸的优点和问题是什么？在哪些情况下会影响功率转换效率或放大器噪声水平？
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第六部分：用于大功率运行的双包层光纤
包层泵送是如何工作的？为什么它会导致泵吸收不完全的问题，以及如何缓解这些问题？为什么双包层光纤很难进行短波长操作？
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第七部分：纳秒脉冲光纤放大器
光纤放大器系统作为强光脉冲源的优点和局限性是什么？它们与 Q 开关体激光器相比如何？哪些非线性会对短脉冲的放大造成麻烦？增益饱和何时会导致脉冲失真？
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第八部分：用于超短脉冲的光纤放大器
超短（皮秒或飞秒）脉冲的放大会出现哪些额外问题？非线性和色散效应如何一起发挥作用？抛物线脉冲放大或啁啾脉冲放大 (CPA) 能在多大程度上缓解这些问题？
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第九部分：光纤放大器的噪声
光纤放大器噪声的来源是什么？噪声系数是如何定义的？为什么准三电平放大器的噪声系数更高？在这方面，光纤放大器的前向泵浦如何更好？泵噪音的影响是否严重？
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第十部分：多级光纤放大器
出于什么原因，使用多个放大器级是有利的？有哪些方法可用于 ASE 抑制？如何最小化放大器噪声？
