通过数值模拟设计基于光纤的超快激光源导致原型和产品设计，并证明处理非线性效应。


光纤在激光技术中有着广泛的应用。在超快激光器领域，光纤作为增益介质具有增益大、增益带宽大等优点。另一方面，与块状激光晶体和玻璃相比，光纤中的非线性和色散效应要强得多。


强非线性效应常常为可达到的性能设定限制。物理细节可能非常复杂，这对设计过程有影响——性能潜力通常只能基于全面的定量理解来实现。注意，即使对于连续波（CW）器件，光纤激光器和放大器的操作也比体器件的操作更难理解和分析。例如，这是由于强饱和效应、高增益、放大的自发发射以及大多数光纤增益介质的准三能级特性而发生的。

锁模光纤激光器


虽然原则上人们可以从非常低的能量脉冲开始，然后应用来自光纤放大器的大量增益，但是通常有利的是从较高能量的种子脉冲开始。这主要是因为非常高的放大器增益要求使用多个放大器级和一些中间器件，如滤波器、隔离器或调制器，使得系统更加复杂。此外，噪音问题可能变得更严重。


另一个方面是，任何激光器的平均腔内功率应当是增益饱和功率的几倍，以便操作数倍于激光阈值。这与典型的脉冲重复频率和脉冲持续时间相结合，导致一个区域具有相当大的峰值功率，从而产生相当大的非线性效应。


孤子锁模这样的传统概念是难以使用的，因为孤子脉冲能量通常很低。现代锁模光纤激光器往往是基于更复杂的操作原理。通常使用正常色散激光谐振腔，其中强啁啾脉冲循环。内腔脉冲持续时间与强啁啾基本上增加。大量的光带宽允许人们使用激光谐振腔外的色散压缩器获得非常短的脉冲。在每个谐振器往返行程中，由于自相位调制，脉冲带宽的显著增加由腔内带通滤波器补偿。这项技术是由Frank Wise和他的研究小组在康奈尔大学（NY Ithaca）开创的。


例如，我们考虑光纤环形激光器，它基本上包括输出耦合器、带通滤波器、无源光纤、掺镱(Yb)光纤、法拉第隔离器和饱和吸收器。当滤波器带宽逐渐减小时，稳态输出脉冲的频谱首先在中间变得越来越平坦。进一步减小带宽，我们在边缘附近获得最大值（见图1）。

图1。利用RP Fiber Power软件对全色散激光谐振腔被动锁模光纤激光器的稳态输出脉冲的光谱进行了数值模拟，腔内带通滤波器的带宽在3～12nm之间。


奇怪的是，如果滤波器带宽减小，则输出带宽增加，这主要是因为最初窄带脉冲在光纤中展现较少的时间展宽，因此随后达到较高的峰值功率。然而，如果我们走得太远，在我们的例子中，对于最低的滤波器带宽，激光器接近该稳定极限，并且由于腔内滤波器的损耗，脉冲能量降低。提高泵浦功率具有类似于降低滤波器带宽的效果，当然除了增加脉冲能量之外。


由于上述不稳定性导致的性能极限取决于各种设计细节（例如，取决于可饱和吸收体的参数），如果不对操作获得全面的定量理解，就不能适当地加以探讨。数值模拟是创建这种理解的唯一实用方法。他们允许人们研究该装置，例如，探索光纤中脉冲的时间和光谱演变。在购买和组装所需的光学元件之前，人们可以回答一些重要的问题，例如，需要多少饱和吸收以及什么色散图是适合的。

高重复率放大器


在有源光纤中强放大超短脉冲似乎很容易，提供高增益，具有可观的增益带宽。然而，特别是光纤非线性是一个限制因素。


技术挑战很大程度上取决于运行机制。我们首先考虑具有几十或几百兆赫的高脉冲重复率的超快源。这里，可以直接放大锁模激光器(它本身可以是光纤激光器，或者在一些情况下是增益开关激光二极管)的输出，它也可以用来产生皮秒种子脉冲。


作为例子，我们采用前面讨论的光纤激光器的输出脉冲，并在1.25m长的、掺镱的单模光纤中进一步放大它们，该单模光纤具有5m的芯半径，反向泵浦，在975nm处800mW。图2表明，由于自相位调制，我们可以显著增加脉冲能量，同时获得显著增加的脉冲带宽，而脉冲持续时间仅略有增加。在放大器之后的色散压缩器可以将脉冲持续时间从大约2 ps减少到290 fs。事实上，由于它们增加的带宽，所获得的脉冲比通过直接压缩激光脉冲(517fs)可能得到的脉冲要短得多。

图2。单模光纤放大器中的脉冲参数的演变被示为光纤中的位置的函数。


虽然在我们的示例中，放大器的非线性可以被认为是有益的，因为它允许短脉冲或压缩脉冲，但是当试图获得更多的脉冲能量时，可能会遇到限制。一个特别的问题是，当我们需要更多的泵浦功率时，我们需要使用双包层光纤，并且由于泵浦吸收较弱，该光纤通常必须长得多。然而，纤维非线性的影响随后变得更强。例如，考虑一个双包层放大器，其核心半径增加到8m（用于增加泵浦吸收）并且包层直径增加到125m，其中我们现在需要8m光纤来有效地吸收5W泵浦功率（对于与以前相同的Yb掺杂浓度）。图3显示了强啁啾和展宽的输出脉冲。受激拉曼散射（SRS）已经是重要的，虽然还不是一个严重的问题。

图3。如仿真所示，双包层光纤放大器的输出脉冲在时域和频域表现出比单模放大器更强的非线性效应；

高脉冲能量放大器


为了获得实质上更高的脉冲能量，通常使用仅发射第n个激光脉冲的脉冲拾取器来降低脉冲重复率。较低的重复频率，例如，100千赫允许大量的脉冲能量而没有过大的平均功率。然而，我们需要处理两个额外的挑战。


首先，所需的放大器增益将相应地更高，这可能导致强放大自发辐射（ASE）的问题。这常常迫使人们使用附加的放大器级和手段来抑制它们之间的ASE，例如，带通滤波器或光开关，以及法拉第隔离器来抑制反向传播的光。


其次，增加的峰值功率进一步提高了非线性效应的强度，使其进入例如受激拉曼散射变得有害的区域。一个硬限制是由非线性自聚焦在几个兆瓦的峰值功率水平。


光纤非线性引起的挑战常常迫使人们应用啁啾脉冲放大（CPA）的方法。首先，需要将脉冲分散地拉伸到几百皮秒或甚至几纳秒的持续时间，以限制后续放大器级的峰值功率。随后的色散压缩则变得更加具有挑战性，因为需要能够处理脉冲内大范围群延迟的压缩机。啁啾体布拉格光栅(VBGs)可以是一种紧凑的解决方案，但对于最长的拉伸脉冲持续时间，需要体衍射光栅，它消耗更多的空间并涉及灵敏对准。


对于CPA器件，数值模拟的需要变得更强。例如，模拟可以用于检查拉伸器和压缩器的色散的匹配，也考虑放大器光纤的非线性相位变化。此外，还需要仔细检查ASE等其他方面。很明显，尝试和错误的方法不适合这样的设计任务，特别是当需要高性能的时候。