SeeFiberLaser是一款功能強(qiáng)大的光學(xué)仿真軟件，能夠幫助用戶寢室對(duì)放大自發(fā)輻射（ase）、受激拉曼散射（srs）、受激布里淵散射（sbs）、四波混頻（fwm）等非線性效應(yīng)進(jìn)行仿真，提高研究的效率。軟件內(nèi)置了元件庫(kù)，可以模擬仿真多個(gè)示例工程，讓光學(xué)仿真更加方便快捷。

【軟件功能】

　　物理模型，本軟件包含多個(gè)光纖激光器模型，根據(jù)用戶輸入的參數(shù)和考慮的因素自動(dòng)選擇所使用的物理模型，目前教學(xué)測(cè)試版開放的是基于速率方程的摻鐿光纖激光器模型，包含了放大自發(fā)輻射效應(yīng)、拉曼散射效應(yīng)以及熱效應(yīng)，可以用于計(jì)算摻鐿光纖振蕩器和放大器，具體包括彎曲損耗、單(多)波長(zhǎng)泵浦、單(多)波長(zhǎng)放大、高功率系統(tǒng)中拉曼效應(yīng)等多種情況。

　　為了模擬光纖激光器中各個(gè)波長(zhǎng)的演化過(guò)程，我們將摻鐿光纖的吸收發(fā)射譜等間隔地分割成眾多的分離譜，把每一個(gè)分離譜內(nèi)的激光看作單一波長(zhǎng)，并對(duì)每個(gè)波長(zhǎng)建立速率方程，這樣可以考慮各個(gè)波長(zhǎng)對(duì)總增益的影響以及波長(zhǎng)之間的競(jìng)爭(zhēng)，如果計(jì)算中包含拉曼效應(yīng)，則可以分別計(jì)算各個(gè)波長(zhǎng)的拉曼增益。

　　計(jì)算中無(wú)論是振蕩器還是放大器，在模型兩端都可以設(shè)置泵浦光和反饋，該結(jié)果作為模型的邊界條件輸入。

　　本模型只考慮光譜各成分的功率演化，不包含相位，因此屬于非相干模型。

　　本模型是標(biāo)量模型，不考慮偏振效應(yīng)的影響。

　　數(shù)值算法，本版本軟件采用有限差分算法對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值求解，首先把光纖軸向坐標(biāo)和光譜網(wǎng)格化，并對(duì)物理模型和邊界條件進(jìn)行離散，將模型轉(zhuǎn)化為邊值問(wèn)題，從而利用我們軟件的算法計(jì)算出各波長(zhǎng)激光沿光纖分布的功率等結(jié)果。計(jì)算的速度與選取的光纖網(wǎng)格劃分精度有關(guān)，選取的網(wǎng)格越精細(xì)，計(jì)算時(shí)間越長(zhǎng)，通常光纖的計(jì)算步長(zhǎng)設(shè)置為0.01m，當(dāng)計(jì)算功率較大或者光纖吸收系數(shù)較大時(shí)，建議適當(dāng)減小光纖的計(jì)算步長(zhǎng)(例如0.005m)，以便提高準(zhǔn)確性。實(shí)際使用中可以通過(guò)比較步長(zhǎng)減半的兩個(gè)結(jié)果來(lái)判斷計(jì)算精度是否符合要求。

　　我們的算法屬于迭代算法，所以計(jì)算的精度還與收斂的容忍精度有關(guān)，軟件中默認(rèn)的容忍精度為10-4，實(shí)際使用中也可以通過(guò)比較容忍精度減半的兩個(gè)結(jié)果來(lái)判斷計(jì)算結(jié)果是否符合要求。

　　摻鐿光纖吸收發(fā)射截面，摻鐿光纖的吸收發(fā)射截面是通過(guò)外部導(dǎo)入，軟件有一個(gè)默認(rèn)的吸收發(fā)射截面參數(shù)表，其數(shù)值會(huì)在摻鐿光纖參數(shù)設(shè)置界面右上角以圖形顯示，如圖2. 1所示。計(jì)算波長(zhǎng)的精度是由輸入的吸收發(fā)射截面數(shù)據(jù)精度決定的。該吸收發(fā)射截面參數(shù)表要求波長(zhǎng)間隔相等，默認(rèn)的參數(shù)表里波長(zhǎng)間隔為0.2nm。用戶可以將自己測(cè)量的結(jié)果導(dǎo)入進(jìn)行計(jì)算。吸收發(fā)射截面參數(shù)表為excel文件，第一列為波長(zhǎng)(單位nm)，第二列為吸收截面，第三列為發(fā)射截面(單位m2)。當(dāng)用戶設(shè)置的波長(zhǎng)間隔小于導(dǎo)入?yún)?shù)列表的波長(zhǎng)間隔時(shí)，軟件將用與其波長(zhǎng)最近的吸收發(fā)射截面系數(shù)替代。波長(zhǎng)間隔同樣會(huì)影響計(jì)算速度，波長(zhǎng)間隔越小計(jì)算所需的時(shí)間越長(zhǎng)，所以波長(zhǎng)間隔應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求合理設(shè)置。

　　拉曼增益系數(shù)，模型中每個(gè)波長(zhǎng)的拉曼增益系數(shù)表示為即第i個(gè)波長(zhǎng)給第n個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)提供的Raman增益(或損耗)，具體表達(dá)式：

　　其中

　　為非線性參量，n2為非線性折射率，對(duì)于石英光纖，在1微米波段約為2.6×10-20 m2/W;

　　為延遲拉曼響應(yīng)對(duì)非線性極化強(qiáng)度的貢獻(xiàn)比例，在硅基質(zhì)光纖中一般取0.18;而

　　為延遲拉曼響應(yīng)函數(shù)hR(t)的傅里葉變換，而拉曼響應(yīng)函數(shù)hR(t)的近似解析表達(dá)式如下：

　　經(jīng)推導(dǎo)，可得其傅里葉變換

　　的解析形式如下：

　　在軟件中通過(guò)設(shè)置

　　就可確定計(jì)算中所用的拉曼增益系數(shù)，通常在石英光纖中這三個(gè)參數(shù)變化不大，因此可以直接使用軟件中的默認(rèn)值。

【軟件特色】

　　在完成了SeeFiberLaser軟件的安裝后，進(jìn)入軟件安裝目錄，運(yùn)行文件SFLaser.exe后可以看到軟件的主窗體，

　　軟件的界面包括標(biāo)題欄、菜單欄、工具欄、基礎(chǔ)原件和組件欄、系統(tǒng)編輯區(qū)以及屬性顯示區(qū)6個(gè)主要部分。軟件以光纖激光器中的基礎(chǔ)元器件為最小模塊，以圖形化的方式在系統(tǒng)編輯區(qū)進(jìn)行模型搭建，雙擊器件圖標(biāo)可以進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面，顯示直觀、參數(shù)設(shè)置方便。模型搭建好以后，點(diǎn)擊菜單欄中調(diào)試→執(zhí)行，或者直接點(diǎn)擊工具欄中的執(zhí)行按鈕即可進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果以圖形顯示，可以對(duì)圖片進(jìn)行編輯、保存等處理，同時(shí)也支持將計(jì)算所得的數(shù)據(jù)結(jié)果保存為Matlab數(shù)據(jù)格式，極大地方便了廣大用戶對(duì)計(jì)算結(jié)果和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

　　內(nèi)建組件介紹

　　內(nèi)建模塊的樹形列表位于軟件窗體的左側(cè)，所有的器件將在其中顯示。使用工具欄中的搜索欄可以方便地對(duì)所需要的器件進(jìn)行搜索。

　　軟件總共開放了包括有源器件和無(wú)源器件在內(nèi)的2大類共8種組件：連續(xù)泵浦源、連續(xù)種子源、雙包層摻鐿光纖、光纖端帽、雙包層光纖光柵、前向泵浦信號(hào)合束器、后向泵浦信號(hào)合束器和雙包層傳能光纖

　　系統(tǒng)搭建示例

　　基于軟件內(nèi)置的基本組件，本節(jié)將通過(guò)構(gòu)建一個(gè)仿真實(shí)例的過(guò)程來(lái)簡(jiǎn)要說(shuō)明SeeFiberLaser軟件的使用方法。為了簡(jiǎn)單起見，我們將一步一步構(gòu)建軟件內(nèi)置的前向泵浦放大器實(shí)例。

　　首先在構(gòu)建系統(tǒng)之前，我們要明確需要仿真的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，采用簡(jiǎn)單的一級(jí)放大結(jié)構(gòu)，我們可以得到如下結(jié)構(gòu)圖。

　　系統(tǒng)為一級(jí)放大器，種子光和泵浦光通過(guò)一個(gè)(2+1)×1的前向泵浦信號(hào)合束器耦合到20/400的雙包層光纖中，雙包層光纖后接光纖端帽輸出。

　　在上圖的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，我們可以開始著手搭建仿真系統(tǒng)了，首先打開軟件，我們可以看到工作區(qū)域是空白的，在左側(cè)的樹形列表中找到“連續(xù)泵浦源”、“連續(xù)種子源”以及“前向泵浦信號(hào)合束器”，并將其拖放至系統(tǒng)編輯區(qū)

　　器件的連接需要采用拖拽的方法，在連出端口上點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵不要放開，然后將光標(biāo)拖動(dòng)至連入端口后松開鼠標(biāo)左鍵，若連接正確，會(huì)彈出設(shè)置熔點(diǎn)損耗的窗口

　　在擺放好的組件上雙擊鼠標(biāo)左鍵即可彈出參數(shù)設(shè)置界面。在本例中，我們使用種子源默認(rèn)的光譜文件，注入功率設(shè)置為10W;泵浦源采用軟件自帶的975nm泵源光譜，注入功率200W，光譜通道10;摻鐿光纖使用Nufern LMA-YDF-20/400-VIII光纖，長(zhǎng)度設(shè)置為14m;傳能光纖使用Nufern LMA-GDF-20/400-M，長(zhǎng)度設(shè)置為2m;光纖端帽的反射率設(shè)置為0%。其他參數(shù)不變，設(shè)置好所有的參數(shù)之后，點(diǎn)擊工具欄的執(zhí)行按鈕(或者點(diǎn)擊調(diào)試菜單中的執(zhí)行)便會(huì)彈出計(jì)算窗口執(zhí)行計(jì)算

　　計(jì)算完成后會(huì)有提示計(jì)算所用的時(shí)間。獲得計(jì)算結(jié)果的方法有兩種，第一，可以通過(guò)雙擊組件圖標(biāo)來(lái)獲得與組件相關(guān)的計(jì)算結(jié)果，例如點(diǎn)擊雙包層摻鐿光纖，則會(huì)彈出如下窗口。

　　其二是通過(guò)點(diǎn)擊該窗口工具欄上的“顯示所有顯示窗口”按鈕來(lái)對(duì)需要顯示的結(jié)果進(jìn)行選擇。而在每一個(gè)圖形窗口中，都有保存圖片、圖片屬性編輯、數(shù)據(jù)顯示等功能，方便對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和處理。

　　至此我們已經(jīng)完成了對(duì)自帶示例“前向泵浦放大器”的復(fù)現(xiàn)，更多示例請(qǐng)?jiān)谲浖鞔翱谧髠?cè)的“實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”選項(xiàng)卡打開并參考，實(shí)際操作中可以直接基于已搭建好的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)修改參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，也可以保存自己的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)至“軟件目錄\projects\實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”文件夾中，再次打開軟件后即可在“實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”選項(xiàng)卡中選擇自己搭建的工程項(xiàng)目。另外用戶也可通過(guò)文件→打開操作打開之前的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。