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解决方案

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。

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。