Примеры моделей в лазерной технике и фотонике: усиление света в лазерных кристаллах и оптических волокнах, генерация и усиление ультракоротких импульсов

1. Усиление света в лазерных кристаллах
2. Усиление света в активных волокнах
3. Генерация ультракоротких импульсов в лазере с синхронизацией мод
4. Усилительные системы для ультракоротких импульсов
5. Дальнейшие примеры

Далее вы найдете несколько примеров применения компьютерных моделей в лазерной технике. Смотрите также наш учебник по моделированию ,

Усиление света в лазерных кристаллах

Хорошо известно, что свет может быть усилен стимулированное излучение например, в лазерные кристаллы , В лазерном кристалле дополнительные эффекты, такие как получить насыщение , получить руководство а также дифракция также вступают в игру. Но как все эти эффекты сочетаются в деталях? Ясное количественное понимание таких процессов необходимо для эффективной разработки лазерных устройств.

Модель усиления лазерного луча в объемный лазер может содержать следующее:

Рисунок 1: Лазерный луч в лазерном резонаторе. Численное моделирование может показать, как именно работает процесс усиления, насколько сильным является эффект управления усилением, будут ли возбуждаться моды более высокого порядка и портить качество луча, как лазер реагирует на смещение и т. Д.

Подходящее программное обеспечение, такое как RP Fiber Power может численно моделировать распространение луча через лазерный кристалл (или во многих обходах через лазерный резонатор), принимая во внимание вынужденное излучение, дифракцию, регулировку усиления, насыщаемое поглощение и т. д. (Конечно, пользователю такого программного обеспечения не требуется иметь дело с деталями того, как такие вещи рассчитываются.) В качестве примера, см. пример использования лазера с активной модуляцией добротности ,

Более простые модели предполагают фиксированный поперечный профиль лазерного луча и эффективно распространяют только оптические силы, а не полные профили луча. Они могут быть обработаны намного быстрее, но только если известно, что профили лучей не подвержены значительному влиянию, например, влиянием на усиление.

Усиление света в активных волокнах

Свет также может быть усилен в редкоземельные волокна , Основные физические основы те же, что и для лазерных кристаллов, но, тем не менее, некоторые аспекты могут быть совершенно другими:

• Во многих случаях поперечные профили пучка могут рассматриваться как полностью определяемые только свойствами волновода. Это значительно упрощает распространение, поскольку достаточно простого распространения мощности (см. Наш учебник по моделированию ).
• В большинстве случаев, квазитрехуровневые лазерные переходы используются там, где необходимо учитывать эффекты реабсорбции.
• Оптические интенсивности часто очень высоки, вызывая сильные эффекты насыщения усиления, а также нелинейные эффекты ,

Рисунок 2: Схематическая установка простого эрбиевый волоконный усилитель , Процессы, происходящие в активном волокне, могут быть хорошо поняты и оптимизированы с помощью модели усилителя.

Подходящее программное обеспечение, такое как RP Fiber Power может обеспечить эффективное распространение мощности или полное распространение луча, где это необходимо. Он может не только полностью обрабатывать квази-трехуровневые системы, но даже работать с произвольными пользовательскими схемами уровней энергии.

Генерация ультракоротких импульсов в лазере с синхронизацией мод

Рисунок 3: Резонаторная установка типичного фемтосекундного твердотельного лазера с синхронизацией мод.

В лазер с синхронизацией мод , один ультракороткий импульс (или иногда последовательность импульсов) циркулирует в лазерном резонаторе. В каждом цикле резонатора он подвержен различным эффектам, таким как усиление в зависимости от длины волны и потери мощности, хроматическая дисперсия а также нелинейностей и зависящие от времени потери в оптический модулятор или насыщаемый поглотитель , В идеале устойчивое состояние достигается после некоторого числа циклов, так что объединенное действие всех упомянутых эффектов точно воспроизводит импульс после каждого полного цикла. В других случаях такого стабильного устойчивого состояния не существует; нестабильности могут возникать по-разному, что часто трудно различить в экспериментах.

Модель для лазера с синхронизацией мод может содержать следующее:

• Циркулирующий импульс представлен числовым массивом комплексных амплитуд во временной или частотной области. (Оба могут быть связаны друг с другом с помощью быстрого преобразования Фурье.)
• Каждый оптический компонент (например, лазерный кристалл, дисперсионные лазерные зеркала и модулятор или насыщаемый поглотитель) характеризуется различными величинами, описывающими его влияние на циркулирующий импульс.

Рисунок 4. Настройка волоконного лазера с синхронизацией мод.

Подходящее программное обеспечение, такое как RP ProPulse или же RP Fiber Power может численно моделировать эволюцию циркулирующего импульса во многих обходах. Можно, например, построить различные параметры импульса как функции от количества циклов, проверить следы импульсов во временной и частотной области для любого местоположения и момента времени или построить параметры импульса в стационарном режиме как функции других параметров, таких как в качестве мощности накачки - хроматическая дисперсия оптического элемента или что-либо еще.

С помощью такого инструмента можно, например,

• рассчитать параметры установившегося импульса и изучить их зависимость от различных параметров устройства и работы,
• проанализировать важность различных потенциально мешающих эффектов, и
• исследовать возможные причины нестабильности.

Исходя из этого, можно оптимизировать конструкцию лазера для достижения наилучших характеристик и / или минимальной чувствительности к различным воздействиям.

В частности, для волоконных лазеров взаимодействие различных эффектов обычно настолько сложное, что без компьютерного моделирования (т. Е. Только на основе хорошего понимания технологии) невозможно было бы понять, какие параметры импульса следует ожидать, каковы пределы стабильности , так далее.

Усилительные системы для ультракоротких импульсов

Для многих применений требуются сверхкороткие световые импульсы с высокой энергией импульса и чрезвычайно высокой пиковой мощностью. Обычно сначала генерируют импульсы низкой энергии в лазере с синхронизацией мод, а затем используют пульсометр что значительно снижает частота повторения импульсов и, наконец, посылает этот импульс через цепочку оптических усилители , Могут быть использованы различные типы усилителей, такие как волоконные усилители (обеспечивая высокий коэффициент усиления, высокую полосу усиления и высокую эффективность преобразования мощности, но демонстрируя существенные нелинейные эффекты) и объемные усилители на основе лазерных кристаллов.

В частности, в случае многоступенчатых усилительных систем, численное моделирование необходимо для получения разумного понимания того, что происходит внутри и как можно оптимизировать производительность системы. Многие технические детали могут быть актуальны:

• На каждой ступени усилителя могут быть существенные получить насыщение , получить сужение (т.е. уменьшение оптического пропускная способность из-за ограниченного получить пропускную способность ) и нелинейные искажения.
• Системы с высоким коэффициентом усиления также показывают значительное количество усиленное спонтанное излучение (ASE). Часто необходимо предотвратить попадание такого света ASE, насколько это возможно, на следующую или предыдущую ступень усилителя, например, чтобы избежать чрезмерного насыщения усиления ASE. Для таких целей можно использовать такие устройства, как полосовой фильтры , Изоляторы Фарадея и оптические переключатели. Конечно, их эффекты должны быть должным образом обработаны в модели.
• Во многих случаях принцип усиление чирпированного импульса (CPA), используя высокодисперсные оптические элементы, такие как объем Брэгговские решетки или пары дифракционные решетки ,

Подходящее программное обеспечение для моделирования, такое как RP Fiber Power может не только рассчитывать характеристики выходных импульсов даже в сложных ситуациях (с несколькими усилительными каскадами, эффектами обратной связи ASE и т. д.), но также обеспечивает высокую гибкость для изменения любых параметров устройства, изучения динамических эффектов и т. д.

Рисунок 5: Спектрограмма усиленного импульса с усилением вверх, где значительная часть оптической энергии рассеивалась на более низких оптических частотах под воздействием Комбинационное рассеяние (SRS). Это было взято из тематическое исследование с программным обеспечением RP Fiber Power.

Дальнейшие примеры

В качестве дальнейших примеров вы можете взять многочисленные тематические исследования, выполненные с некоторыми из наших программных продуктов:

• RP Fiber Power (применяется для пассивных волокон, волоконных лазеров и усилителей, часто также для объемных лазеров)
• RP Резонатор (конструкция лазерного резонатора)
• RP ProPulse (распространение импульсов, например, в лазерах с синхронизацией мод и в оптических параметрических генераторах с синхронной накачкой)
• RP покрытие (дизайн тонкопленочных устройств)

Каждый из них демонстрирует, что компьютерное моделирование показывает не только ожидаемую производительность, но и внутренние детали, которые необходимы для понимания и оптимизации таких устройств.

Похожие