RP Fiber Power稳态下的脉冲放大

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。

相关文章可在仿真秀搜索：

RP Fiber Power 掺铒光纤放大器的双诱导淬灭建模

RP Resonator 如何处理模拟中的热透镜效应

RP Fiber Power 超短脉冲的数值表示

RP 系列 | 命名空间：避免名称冲突的一种好方法

RP Fiber Power 光纤中基于模态或数值光束传播的光场传播

RP Fiber Power 在数值光束传播中创建多模光束

RP Fiber Power 无源光纤之多模光纤

RP Fiber Power 无源光纤之单模光纤

RP Fiber Power 无源光纤之玻璃光纤

RP Fiber Power 无源光纤之光纤模式

RP Fiber Power 新增Numerical Power Package数字工具箱 | 让运算速度快得飞起