RP Fiber Calculator RP光纤计算器|全面解析

RP Fiber Calculator RP光纤计算器

RP系列软件是功能强大的激光仿真软件，用于激光发展和激光科学的计算机建模。RP Fiber Calculator 用于对具有径向对称折射率分布的光纤进行各种计算。RP Fiber Power用于设计和优化光纤器件，特别是光纤放大器和激光器以及其他类型的波导激光器，还有光纤耦合器，多芯光纤，螺旋芯光纤和锥形光纤等。RP Resonator 用于光学谐振腔计算。RP ProPulse 用于模拟脉冲传播。RP Coating 用于设计光学多层结构，开发激光反射镜，色散反射镜，滤光片和偏振器等。RP Q-switch 用于主动或被动Q开关固态激光器的计算，以及连续波激光器中的尖峰现象。

RP Fiber Calculator光纤计算器是一种非常方便的软件，用于对具有径向对称折射率分布的光纤进行各种计算。它具有直观的图形用户界面和标签，用于以下目的：

• 折射率分布：定义径向折射率分布。只需点击图表即可更改分布！

• 导模：获得计算的导模的属性：指数l和m（LPl,m 模式），有效折射率，相位常数，有效模式面积，在纤芯内传播的功率分数，截止波长。模式求解器功能强大，可靠，高效。

• 发射光束：定义高斯激光束，可能光纤端部未对准，并获得所有导模的功率，以及总引导功率。

• 传播：了解光束在光纤中如何演变，以及从光纤中射出的光相应远场分布是什么。

• 耦合：计算光线如何从一根光纤耦合到另一根光纤（仅限PRO版本的功能）。
  

适合日常光纤工作的极其有用的工具

即使是光纤初学者使用这个软件时也不会有困难。使用它可以训练你的直觉，训练你的感觉和对光纤的理解 - 这是你在我们网站上找到的所有说明的一个很好的补充。光纤专家在他们日常生活当中也有一个非常高效工具。例如，使用它来解决以下问题：

• 折射率对比度必须有多低才能获得单模传导？哪个波长范围有效？

• 我的光纤有多少导模？

• 光纤中的多模强度模式会以多快的速度发展？

• 在折射率分布中有中心凹陷，或纤芯周围的低折射率区域，或您可以想象的任何特征，有什么影响？基本模式是否仍然接近高斯形？

• 对于光束射入光纤，光束聚焦尺寸不匹配有多重要？其他参数有多重要，例如：对于位移或倾斜？

• 观察到的远场模式是否与设计参数一致？

• 两种不同多模光纤之间的接头插入损耗是多少？匹配纤芯大小和NA值有多重要？
  

使用软件轻松找到这一点，而不是根据教科书中的方程进行繁琐的计算，或者只是在黑暗中钓鱼。您也可以在数值上测试您计算的内容以确定。

软件版本的对比

在这里，您可以简要了解光纤的不同软件版本提供的内容：

您可以模拟发射光在光纤中传播或离开光纤后的传播方式。这基于在“Index profile”，“Guided modes”和“Launching a beam”选项卡中输入的参数。此外，您只需使用追迹栏选择光纤中的传播长度。自动选择该条上的步长，使得横向轮廓可以显着改变，但在一个步长中不会发生大的改变。

按下“Calculate profile”按钮时，计算完成。如果选择了“automatic on change of z”，则z位置更改时也会自动执行此操作。

设置

以下设置会影响显示：

• 强度或幅度。在后一种情况下，色散编译复振幅的相位，而强度决定色散饱和度。

• 近场或远场：在离开光纤后（在实际空间中）或远场中的轮廓中（带角坐标）显示光纤。

• 显示器尺寸：使用较小的尺寸以获得更高的速度。

  
  

生成图

如果图表显示强度，则使用的色标以图表右侧的条形显示。对于复振幅，色标显示为二维区域。另请注意，色标会根据当前z位置的轮廓的峰值强度自动调整。

通过用鼠标右键单击配置文件图像（仅限PRO版本），您可以调用上下文菜单，该菜单允许您将配置文件复 制到Windows剪贴板。

如何完成计算

该软件的计算如下：

从发射条件，计算用于激励每个导模的复振幅。

根据模式的相位常数，可以计算传播到光纤中某个位置的相位变化。（不考虑由于传播损耗引起的光功率变化。）

在所请求的位置，总复场被计算为所有导模的贡献的叠加。（不考虑包层模式。）可以根据幅度计算强度分布。

对于远场，人们对光纤中的场进行二维空间傅立叶变换。

请注意，如果光纤具有许多导模，则计算需要更多时间。但是，对于少数模式，使用的方法比数值光束传播快得多。另一方面，数值光束传播（由RP Fiber Power软件提供）也可以考虑包层模式，弯曲效应，非线性等。

在这里，您可以获得光纤所有传导模的属性。（请注意，不考虑包层模式 - 光纤可能具有很多这些模式，但是它们的详细属性通常不是很有用。）数据是基于折射率分布（如左侧选项中的定义）和你输入的波长计算的。如果您修改了波长设置，请按“Calculate”按钮以重新计算模式。

模式分布

此外，您可以通过单击“Show mode profile”按钮在右侧显示模式分布。（结果始终基于表中选择的模式。）或者，您可以双击表格中的模式条目，或者在按住Shift键的同时单击条目。

您可以在2D分布和径向相关性图之间进行选择。两者都可以基于强度或幅度。使用后者，您可以更好地查看分布的弱部分。

通过鼠标右键单击分布图像（仅限PRO版本），您可以调用上下文菜单，该菜单允许您将分布（或所有模式的分布）复 制到Windows剪贴板。

模式参数

模式参数显示在下列的表中：

模式编号
LPl,m模式折射率
β：相位常数：沿光纤传播的每微米的相变
neff：有效折射率
Aeff: 有效模式区域
核心中的P：在光纤核心内传播的功率的分数
截止波长：模式存在的波长

您可以通过单击相应的表头来根据各种参数对表进行排序。
如果您已选中“include chromatic dispersion”，则表中还包含：
ng:群折射率
GVD：群速度色散
（只有通过数学表达式或参杂分布确定折射率分布时，才能计算色散。只有PRO版本才能提供。）

在表格下方，您可以看到显示的模式数量。首先给出的较小数字不区分具有不同方向的模式。例如，LP11模式可以具有左右和顶部和底部定向的两个波瓣，并且仅被认为是单模式。较大的数字分别考虑每个方向，因为它也是任意场的模式分解所需的。

请注意，如果模式求解器非常接近其截止波长，则模式求解器可能会错过模式，其中模场远远超出纤芯。无论如何，这种模式通常是非常敏感的，例如弯曲纤维，因此难以观察。

导出模式属性

使用模式属性表（仅限PRO版本）下方的“Export”按钮，您可以获得一个表单，该表单允许您导出模式的数值数据。

表单的上半部分允许您生成一个表达式，该表达式定义生成的输出的每一行。您也可以手动编辑该表达式，例如 为了获得其他单位的输出或以其他方式进行数学处理。

当您按下“Generate the text output”按钮时，您将获得表单下部的输出。然后，您可以将其复 制到Windows剪贴板或将其保存到文本文件。

绘图模式数据

使用模式属性表（仅限PRO版本）下方的“Plot”按钮，您可以获得一个表单，允许您将各种模式属性绘制为光波长的函数。

只需填写详细信息并按“Make the plot”按钮即可获得以下内容：

在该表单上，您可以将获取的图形保存到文件中并将其**到剪贴板。此外，您可以使用标记在绘图中进行测量，您可以通过使用鼠标左键和右键单击图表来放置标记。

深层次备注

如果增加纤芯半径或折射率对比度，或者选择较短的波长，则导模的数量会增加。

如果光纤模式太多，则只能显示其中的一部分（那些较低阶的模式）。在免费版本中，仅显示l和m值最多为20的模式; PRO版本进一步发展，因此可以实现数千种模式。

不考虑传播损耗对模式的影响。原理上，它们可能导致模式的波前曲率，但实际上这些效果通常是不相关的。

在这里，您可以计算出高斯激光束如何耦合到光纤中。更确切地说，计算光纤的导入模式中的光功率 - 使用“Guided modes”选项中计算的波长和相应模式。光纤末端可能未对准。

输入参数

可以输入以下参数：
光纤端部在x，y和z方向上的位置偏移（其中z对应于纵向方向）相对于光束焦点位置。例如，正z值表示光纤末端位于光束焦点后面，正x值表示光纤向右移动。
光纤末端的角度方向误差。例如，如果这对于x方向是可能的，则光纤向右延伸，并且中心耦合的光束最初在光纤中向左延伸。
始终假设光纤端部垂直于其轴线切割。
您还可以确定是否考虑了（未涂层）光纤端的菲涅耳反射，以及是否显示功率非常小的模式。

演算结果

通过计算包含横向输入光束分布和模式分布的复数重叠积分来获得结果。

按“Calculate launch efficiency”按钮时，计算结果显示在下方。对于光纤的每个导模，进入该模式的入射功率的分数以数字和图形方式显示。（对于具有非零l值的模式，两个可能的方向分别列出：具有sinlφ依赖性的方向用负l值表示。）

计算不考虑包层模式。然而，这些通常会表现出更高的损耗，因此在一些传播距离之后，仅导模中的功率保持下来。

在此选项卡中，您可以计算光从一根光纤耦合到另一根光纤的效率。（此功能仅适用于RP光纤计算器的PRO版本。）以数字方式检查这些内容非常重要，因为波形光学系统的结果可能非常令人惊讶。

输入参数

需要以下输入：

• 输入以纳米为单位的波长。

• 选择输入和输出光纤。（他们的索引配置文件在“索引配置文件”选项卡中定义。）

• 设置耦合条件。可以存在光纤纤芯的横向偏移以及角度偏移。假设光纤之间没有气隙，然而，接头的角度偏移可能由光纤端部的非正常切割引起。
  

您可以通过它们的l和m索引定义输入和输出光纤的特定模式，也可以不定义它们。请注意，可以指定不同的方向 - 见下文。

假设不存在导致额外反射损失的气隙。
计算的数量取决于您是否输入特定的输入或输出模式：
如果输入特定的输入和输出模式，则仅获得该对模式的耦合损耗。此外，您还可获得与所有其他导向输出模式耦合的总功率。
如果仅输入输入模式，则可以获得该模式与输出光纤的所有模式的耦合。此外，给出了总功率传输。
如果仅输入输出模式，则会获得所有输入模式与该输出模式的耦合。
如果未指定特定的输入和输出模式，则为每个输入模式获得耦合到输出光纤的导模的总功率。此外，显示平均耦合损耗。如果所有输入光纤模式都具有相同的光功率，则会产生有效的耦合损耗。

模式配置文件的方向

l≠0的模式可以具有两个不同的取向：一个具有coslφ依赖性，一个具有sinlφ依赖性。您可以通过指定负l值来获得后者。

该软件处理方向如下：

如果您具有特定的输入或输出模式，则仅考虑指定的方向。例如，如果输入模式为LP−1,1，则仅考虑sinφ方向。

如果您有任意输入或输出模式，则会考虑所有可能的方向。

什么是总耦合效率？

您可能想知道从一根光纤到另一根光纤可以总共耦合多少功率。如果输入光纤是多模光纤，那将取决于光纤中的功率如何在模式上分布，因为耦合损耗可能强烈依赖于模式。

在某些情况下，您可以假设在模式上具有近似均匀的功率分布。在这种情况下，总耦合可以通过所有模式的平均耦合来近似。如果未指定输入和输出模式，您将在耦合功率表下方找到该值。

令人惊讶的结果

在某些情况下，您可能会获得相当惊人的结果。例如，模拟两个阶跃多模光纤的耦合，其中输出光纤具有更大的纤芯和/或更高的NA。您可能会惊讶地发现在这种情况下存在大量耦合损耗，这种情况具有奇怪的波长依赖性。我们的光纤光学教程在第6章讨论了这种情况。

速度和数值精确度

对于只有几种导模的光纤，计算速度相当快; 它们通常可以在几秒钟内完成。但是，如果存在数十个甚至数百个模式，则计算可能需要大量的计算时间。注意，在这种情况下，软件需要考虑非常多的模式对。

注意，在数值精度和计算速度之间存在折衷。因此，您可以，例如，得到99.9％的耦合显示，在理论上它应该是100％。

在此选项卡中，您可以计算光线在光纤端部的反射方式，光纤端部可以成角度。这对于计算来说并不容易，因为在多模光纤中，您可以获得不同模式之间的耦合。

此功能仅在PRO版本中可用。

输入参数

需要以下输入：

选择光纤。（其索引配置文件在“Index profile”选项中定义。）
输入以纳米为单位的波长
设定切割角度，即光纤端部与垂直切口的角度偏差。
您可以或不可以通过其l和m索引定义输入和反射光的特定模式。请注意，可以指定不同的方向 - 见下文。

计算的数量取决于您是否输入特定的输入或输出模式：
如果输入特定输入和反射模式，则仅获得该对模式的耦合。此外，您还可以获得与所有其他导航模式耦合的总功率。
如果仅输入输入模式，则可以获得该模式与所有模式的耦合。此外，给出了总反射率
如果仅输入输出模式，则会获得所有输入模式与该模式的耦合。
如果未指定特定输入和反射模式，则为每种输入模式获得反射到光纤导模的总功率。此外，显示平均反射率。如果所有输入光纤模式都具有相同的光功率，则可以提供有效的反射率。

模式配置文件的方向

l≠0的模式可以具有两个不同的取向：一个具有coslφ依赖性，一个具有sinlφ依赖性。您可以通过指定负l值来获得后者。

该软件处理方向如下：

如果您具有特定的输入或输出模式，则仅考虑指定的方向。例如，如果输入模式为LP−1,1，则仅考虑sinφ方向。

如果您有任意输入或输出模式，则会考虑所有可能的方向。

什么是总反射率？

您可能想知道总体上有多少功率反映到光纤的导向模式中。如果光纤是多模光纤，那将取决于光纤中的功率如何在模式上分布，因为反射损耗可以强烈依赖于模式。

在某些情况下，您可以假设您在模式上具有近似均匀的功率分布。在这种情况下，总反射率可以通过所有模式的平均反射率来近似。如果未指定输入和输出模式，您将在耦合功率表下方找到该值。

速度和数值精度

对于只有几种导模的光纤，计算速度相当快; 它们通常可以在几秒钟内完成。但是，如果存在数十个甚至数百个模式，则计算可能需要大量的计算时间。注意，在这种情况下，软件需要考虑非常多的模式对。

注意，在数值精度和计算速度之间存在折衷。因此，您可以，例如，得到99.9％的耦合显示，在理论上它应该是100％。

还要注意，在计算中忽略了光束发散和偏振对菲涅耳反射的影响。这种影响通常很弱，除非在有效反射变得非常弱的情况下。

在此选项中，您可以定义最多10种不同光纤的折射率分布。您可以为每个分布命名（例如，产品名称或帮助您识别该光纤的任何备注）。通过单击顶部的选择工具在这些数据库之间切换。

输入的数据会自动存储，以便下次启动软件时仍然可以使用它们。

在这底部的文本区域中，您可以获得一些帮助文本并了解其他软件中一些可用的功能。

基本参数

对于每种光纤，您可以输入以下参数：

• 芯半径：这是光纤芯的半径，即具有改变的折射率的区域。在光纤芯周围，存在具有恒定折射率的包层。您可以使用输入栏的小箭头以1μm的步长修改纤芯半径;按住Ctrl键时，您可以以0.1μm的较小步长更改半径。

• 纤芯区段的数量：纤芯区域被细分为可以确定折射率的一些区段。您选择的纤芯段越多，您可以定义的折射率分布就越复杂。

• 分布类型：您可以通过阶跃（每个段内具有常量折射率）定义折射率分布，使用线性插值或使用三次样条插值来获得平滑分布。例如，对于简单的阶跃折射率光纤，请选择单个纤芯段并选择阶跃分布。

此外，在“折射率”选项中，您可以输入折射率范围，即下图中垂直轴上显示的范围。它应该至少与用于分布的折射率范围一样大。

定义折射率分布

折射率分布可以通过三种不同方式确定：

选择“Index defined by diagram”以直接确定折射率值。要更改某些纤芯段的折射率，只需在垂直线上单击鼠标左键即可指示其左边界。（如果是阶跃分布和包层，您也可以单击图中的任何位置。）如果单击鼠标右键，则可以编辑折射率的数值。使用“Edit data in table”按钮，可以将所有折射率值编辑为数值。

如果您希望根据掺杂分布（例如二氧化硅中的氧化锗）计算折射率，可在“Doping profile”选项中进行编辑，选择“Index defined by doping profile”（PRO功能）。在这种情况下，折射率可以变为波长依赖性，即包括色散。材料数据包含在一个文件中，您可以通过按“M”按钮打开和编辑该文件。例如，通过添加名为n_myfiber（r，l）的函数，您可以定义名为“myfiber”的材质，然后可以在材质选择框中选择该材质。

如果要使用自己的折射率数据，请选择“Index defined by expression”（PRO功能），例如：以Sellmeier方程的形式。折射率可以取决于径向坐标和波长。这个公式的一个简单例子：1.45 +（if r<r_core ,then="" 5e-3="" *（1="" -="" （r="" r_core）2））定义抛物线分布。您还可以参考材料数据文件中定义的函数。="" <="" p="">

免费版仅支持第一个选项（direct input of index profiles）。

该图显示了折射率分布。在右侧，有一个坐标轴，该轴表示具有一定纤芯折射率的阶跃光纤具有的数值孔径（NA）。

监控模式属性和优化光纤设计

RP Fiber Calculator 软件PRO版本提供了一个非常方便的功能，用于在显示的折射率分布下方的窗口中显示最重要的模式属性。只需激活“MP display”（窗体右下角附近的复选框），即可打开底部的另一个面板。在左侧，您可以输入一个或多个表达式列表，它们的值将显示在右侧。无论何时更改折射率分布，都可以自动更新这些显示。

例如，您可以输入

"A_eff: ", A_eff(0, 1, 1550e-9)/1e-12:f0:"µm²"
"cut-off: ", cut_off(1,1):d4:"m"
                                    

为了显示1550nm的基模的有效模式区域和LP11模式的截止波长。如您所见，您还可以在数学上转换值并使用格式化指令来舍入到某些有效数字和某些单位。此外，您可以使用各种数学标准函数，如abs（），trunc（），round（），sqr（），sqrt（），exp（），ln（），lg（），sin（）， cos（）和sinh（），以及标准算术运算符（+， - ，*，/，^）。除了算术表达式之外，您还可以使用字符串 - 例如，单引号或双引号中的字符串常量。

如果您开发优化的光纤设计，通常需要观察几种模式属性。例如，对于单模光纤，您可能需要达到有效模式区域的所需值，LP11模式的截止波长以及可能的群速度色散（GVD）的特定值。

显然，在每次改变折射率分布后在其他地方查找所有这些属性以决定进一步的变化将是繁琐的。PRO版本的解释功能使这更方便，因为您可以直接在编辑折射率分布的位置显示模式属性。

您也可以通过显示“品质因数”（FOM）值进一步明确这一点，在理想情况下为零，否则包含正值。例如，您可能希望优化单模光纤设计，其中LP11模式需要有效的LP01模式区域为80μm2，截止波长为1400 nm。然后可以将FOM显示定义如下：

"FOM: ", ((A_eff(0,1,1550e-9)-80e-12)/10e-12)^2 + ((cut_off(1,1)-1400e-9)/50e-9)^2:d3
                                    

偏离理想模式区域和截止波长的罚分通过将它们除以相应的公差来加权。

然后，您可以简单地修改折射率分布，直到获得尽可能小的FOM值。您可以专注于最小化单个数字，而不是观察多个目标属性

“A_eff：”，A_eff（0,1,1550e-9）/ 1e-12：f0：“μm²”
“cut-off:”，cut_off（1,1）：d4：“m”

使用

在各种输入栏后面，您可以通过单击鼠标键找到用于增大或减小数值的小箭头。对于浮点值，按住Ctrl键可以产生小10倍的更改。

模型的基本假设

注意，该软件仅适用于弱导光纤，即具有低折射率对比度的光纤，具有径向对称的折射率分布。对于大多数玻璃光纤而言，这些假设非常准确。（光子晶体光纤和一些保偏光纤例外。）这些模式几乎是横向电磁（TEM）波，可以作为LP模式处理。（在非弱导的情况下，我们必须区分TE，TM，HE和EH模式，情况变得更加复杂。）

人造金刚石解决方案是高功率CO2激光器、碟片激光器和固态激光器的核心组成部分，可以确保持久稳定地发出高光学质量的激光束。其广泛应用于激光光学元件，如CO2激光器、光束传输系统（像分束器和布鲁斯特窗）、VCSEL（垂直腔面发射激光器）和拉曼激光器的输出耦合器和出射窗。

激光光学元件综合运用人造金刚石的光学、热学和力学性能，使CO2激光器实现最高功率，且不会因热透镜效应损失光束质量。由于人造金刚石极其坚硬，因此比较薄的窗口也可以抵抗一个大气压的压力差，同时还能保持最低的吸收水平。得益于人造金刚石的综合极端特性，新型激光器以及光学应用的数量正呈现不断增长之势，其耐用性保证了其光学性质在极端条件下也能够保持很长时间。

激光光学元件

金刚石单晶在强激光作用下仍为高度线性激光晶体

拉曼激光器

拉曼位移最大：1332cm-1

拉曼增益系数：25cm/GW

案例：

5*5*1.47mm作为激光晶体，未镀膜

置于由输入耦合镜和端镜组成的谐振腔内

可以提供7*2*2, 6*2*2, 5*2*2等各种尺寸拉曼激光器用金刚石晶体。

光学级单晶CVD金刚石，低双折射。

光通过人造金刚石时会发生双折射，从而改变光的偏振。低双折射光学CVD金刚石应用于一系列现有和新型激光技术，如半导体和掺杂介电圆盘激光器。低双折射散热片可用于激光腔而不会产生退偏损耗。相比传统的背面散热，在腔内使用人造金刚石能提供更有效的激光介质热管理，并可显著提升功率范围。该材料能稳定保持和再现低双折射、优异热导率、低吸收、低散射、较宽的透光范围、高激光损伤阈值、高化学和同位素纯度、低热膨胀系数、高机械稳定性和化学惰性等特性。

光学级单晶CVD金刚石，低双折射，极低吸收。

金刚石用于最苛刻光学领域（如拉曼激光）的特殊光学级单晶CVD金刚石材料。这种材料无可比拟地将低双折射率（10-5）和长光程（高达15毫米）低光学吸收率结合在一起，使其成为某些低损耗激光腔应用的首选材料。再加上其优良的导热性和较低的热膨胀系数，使其比更常用的拉曼增益介质能够达到更高的激光功率。人造金刚石具有最大的拉曼位移（1332cm-1）和拉曼增益系数（25cm/GW），人造金刚石拉曼激光器为现有激光源无法满足要求的光谱区域获取高激光输出功率开辟了新的可能性。人造金刚石也被用于拉曼激光器，其极端特性可令激光功率提高两个数量级以上。