RP 系列激光分析设计软件 | 示例案例:光纤中的非线性自聚焦
模型描述 1m'k|Ka 这里,我们研究光纤中非线性自聚焦的细节。首先,我们计算了由于非线性自聚焦的影响,大模面积光纤的基模如何收缩。 >>QY'1Eu 模式解算器实际上忽略了非线性效应。然而,只需几行脚本代码,我们就可以存储包括其非线性变化在内的折射率分布,然后重新计算光纤模式。重复这一过程,直到我们得到一个自洽的解: jkQ*D(;p ud63f`W]4 dr := 0.05 um 5A,K6f@:g defarray I[0, 200 um, dr] Je';9(ZK n_f_nl(r) := n_f(r) + n2 * (if r <= r_max then I~[r]) %gInje { nonlinear refractive index profile } LHyB3V store_I(P) := !-g{[19\ for r := 0 to 2 * r_co step dr do O24m;oHM I[r] := P * I_lm(0, 1, lambda, r) bpOYHc6,*` { ignore index changes outside 2 * r_co, where the intensity is small } .zr-:L5{ kc2PoJ CalcNonlinearMode(P) := _H9 MwJ { Calculate the lowest-order mode with self-focusing for the power P. } UI0(=>L begin ru'F6?d var A, A_l; ?'IP4z;y A := 0; EHSlK5bD, repeat _Mi5g_ A_l := A; O5!7'RZ store_I(P); 32(^Te]: set_n_profile("n_f_nl", r_max); \0A3]l A := A_eff_lm(0, 1, lambda); y>S.?H:P until abs(A_l / A - 1) < 1e-6; -Sqz5lo end ?)/#+[xa 考虑到光纤的非线性,可以对光束的传播进行数值模拟。为此,我们需要定义一个数值网格,并为光束传播设置各种其他输入: ;Y)w@bNt@ x_max := 30 um { maximum x or y value } BfXgh'Z~ N := 2^5 { number of grid points in x and y direction } #`~C)=- dx := 2 * x_max / N { transverse resolution } J.3u^~zy z_max := 30 mm { fiber length } _PPy44r2 dz := 100 um { longitudinal resolution } BIH-"vTy N_z := z_max / dz { number of z steps } )i6mzzj5 N_s := 100 { number of sub-steps per dz step } (|F*vP' e*sfPHt P_11 := 4 MW 1&\0:vA^Y A0%(x, y) := sqrt(P_11) * A_lm_xy(1, 1, lambda, x, y) { initial field } NxfOF <:_wbVn- calc t1]K<>g begin wDw[RW3 bp_set_grid(x_max, N, x_max, N, z_max, N_z, N_s); @<,X0S bp_define_channel(lambda); '-wj9OU bp_set_n('n_f(sqrt(x^2 + y^2))'); { index profile } 5b5x!do bp_set_loss('10e2 * ((x^2 + y^2) / (20 um)^2)^3'); { simulate loss for cladding modes } 1eA7>$w}[ bp_set_n2('n2'); 6d:zb;Iz bp_set_A0('A0%(x, y)'); { initial amplitude } ;i4Q| bp_set_interpol(2); { quadratic interpolation } GeI-\F7b end[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)] j
'FVz& .b_)%jd x MlcR"gl* 结果 .n TwPrG 图1显示了光功率为 5mW (与灾难性自聚焦功率相差不远)的模式分布,以及相应的折射率。 85>05?
[attachment=125063] 84$nT>c 图1:计算了有自聚焦和无自聚焦时的归一化模式强度分布 此外,还显示了折射率分布。可以看到,折射率分布基本上被非线性效应修改了。 vp1941P 图2显示了作为光功率的函数的模式面积。当接近临界功率时,模式面积急剧缩小。 r=Gks=NX" [attachment=125064] 图2:模式面积与光功率的关系,红线表示灾难性自聚焦的临界功率 v0ujdp,B 图3显示了作为核心半径的函数的最大功率。对于每个核心半径,必须计算轴上强度达到损伤阈值时的光功率。当然,需要为每个功率值重新计算模式。 a@8v^G
[attachment=125065] 图3:光纤中的最大光功率与纤芯半径的函数关系 w?3p';C 最初,最大功率随核心区而变化。 v/@^Q1G/: 然而,对于较大的核心,上升变得相当慢,因为模式面积通过自聚焦而减小。 3s5z
UT; 现在,我们研究如果我们将光注入到光纤的 LP11 模(第一高阶模式)中,会发生什么情况,这是在没有非线性的情况下计算的。为此,我们可以使用数值光束传输。图4显示了如果我们注入 4mW 的光功率,不远低于自聚焦的临界功率的结果。在这里,高阶模式变得不稳定。即使是最微小的不对称(这里是由于微小的数值误差引起的),也会导致该模式在大约 10mm 的传播距离之后转变为 LP01 模式和 LP11 模式的叠加:[attachment=125066] \$R_YKGf1G 图4:计算了 LP11 模在x-z平面的振幅分布,计算时不考虑非线性 bw(a6qKK 我们还可以展示导模中光功率的演化:[attachment=125067] 图5:LP11 和 LP01 模式下的光功率演化 >f^r^P 总功率经历了一些振荡,这似乎令人惊讶:即使我们只有一些损耗(对于包层模式),如何在某些位置增加功率?可以将其理解为通过光纤的非线性实现包层模式的能量交换。还要注意的是,非线性相互作用将光耦合到包层模式,这在低光功率下不会发生。
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