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解决方案

RP Fiber Power 模拟非单色多模光束

我们在之前的文章中（RP Fiber Power 在数值光束传播中创建多模光束）阐述了在数值光束传播中创建多模光束。在此，我们想就这个主题再补充一些重要方面的内容。这是我们在为大体积激光器和放大器开发一个相对复杂的仿真模型时想到的。这种推理涉及到一些重要的不平凡的技术方面内容，可能只有那些开发这种模型的人，以及那些只是想更精确地了解激光束如何运动的人对这方面内容感兴趣。

大体积激光器和放大器的泵浦和信号输入光束并不总是衍射有限的。这就引申出了如何在模拟模型中正确处理的问题。我门的第一个想法是使用我门在前一篇文章中描述的一些方法，即高效大胆地假设为了达到想要的光束质量而输入单色光束，这些光束会被“破坏”。但是，这是一种实际可行的方法吗?

简而言之，答案是它取决于我们如何创建这样一个非理想的输入光束——而通常它是不现实的。但是，如果在现实中我们将开始一个具有完美光束质量的激光束，然后通过一些扭曲的介质发送光束(例如一个有点不均匀的玻璃板)破坏这一点，这就可能变成现实。然而，通常的情况是我们有一个体激光器，它的光束质量并不完美，因为它的一些(甚至大部分)输出功率处于高阶横模状态。请注意，这些模通常有一些偏离那些基本模(高斯)的光频率。(这是因为与模式相关的Gouy相移。)因此，这种激光器的输出必然是多色的。

单色度对光束传播有影响吗?

乍一看，人们可能认为这无关紧要，因为激光输出的总光谱宽度可能非常小，我们可以有效地认为光束是准单色的。对所有人来说，所涉及的波长通常是如此接近彼此，以致于像光束散度这样的东西在光谱内不会有显著的变化。但是，这样我们就会忽略一个事实，即由于模态依赖的频率，我们不会在不同模态之间产生干涉效应——至少在观测时间尺度上是如此，因为时间尺度太长而无法分辨快光拍音符。

因此，用类似于单色场的复杂振幅网格来简单地模拟这种非理想光束的传播是不现实的。这种方法会产生实际观察不到的人为干扰效应。通过观察光束的轮廓，我们可以很容易地看到具有强强度调制的复杂干涉图样(见图1)，而在大多数真实的多模激光束中，这些图样显然是不存在的。

图1：一个多模的单色光束剖面，显示出很强的空间强度调制。对多模光纤进行了模拟，但对被破坏质量的单色激光束进行了模拟，得到了类似的剖面。

如何正确地做到这一点？

我们用以下概念来做阐释：

• 对于一个特定的输入光束，我们确定某个最大模态指数，在模拟中，我们分别传播所有TEMn,m模态，直到n和m到达那个值。

• 接下来的问题是如何在这些模式上分配总光功率。为此，我们可以使用一个简单的公式。例如，一个关于模态指数的超高斯函数，为基模提供最高的幂次，为高阶模提供逐渐降低的幂次。我们可以调整该函数的参数，从而得到想要的光束质量M2 因子。

• 这些模的光学相位无关紧要，因为我们假设不同的横模不会相互干涉——因此我们只需将得到的光强相加就可以得到总的光束强度。这种方法可能不是完全现实的，因为我们忽略了可能的模态频率简并，但在实际中这些通常不会起很大作用——例如，当这种简并在光学设置中被轻微的不对称提升时。

图2显示了使用这种模型在几秒钟内计算的示例结果。它没有表现出单色非常强的空间强度调制，因此是不现实的模型。

图2:模拟多模体放大器输出脉冲的横向通量分布图。

以上操作说明看起来很难实现，实际上，如果用我们强大的RP Fiber Power 软件，可以用脚本语言控制，就可以轻松实现。如果使用没有脚本支持的软件，操作起来会非常困难。当然了，除非这种模型已经以硬连接的形式包含在内。以上操作唯一的缺点是，在有许多模式的情况下，我们需要相应地执行许多单独的模式传播，这将导致更长的计算时间。但是也不用那么悲观，我们最近发布的 RP Fiber Power新增Numerical Power Package数字工具箱 （RP Fiber Power 新增Numerical Power Package数字工具箱 | 让运算速度快得飞起）可以给我们帮大忙。有了这个工具箱， 它在这种情况下将计算速度提高了大约一个数量级。 这样，只要模式的数量相对较小，泵送一个放大器然后放大一个纳秒脉冲的模拟就可以在一台普通PC上在几秒钟内完成。即使是在高度多模式的情况下，我们也不会通宵达旦地运行计算机。

所以总的来说，在现实中有些问题实现起来有点棘手，我们软件的大多数用户可能都会发现它在实际操作中很难。如果是自己开发脚本，这当然是很难的。但是如果我们的软件用户在技术支持范围内，我们是可以提供这样的技术支持的。例如，提供实现此类策略的示例脚本——除了就在特定情况下哪种模拟策略合适给出一般性建议之外。