[发明专利]一种仿真实现光纤激光器设计的方法

权利要求书

1.一种仿真实现光纤激光器设计的方法，所述方法基于仿真实现光纤激光器设计的系统实现，所述仿真实现光纤激光器设计的系统自上而下具有应用层、功能层、模型层、算法层、基础层；其特征在于，所述方法包括：

步骤S601：用户向TVE的交互框架发送消息，所述消息指示用于建立工程；

步骤S602：逐次加入各个光纤元器件基础模型，并建立所述各个光纤元器件的连接关系，形成仿真系统；同时，设置所述各个光纤元器件基础模型及所述仿真系统的参数；

步骤S603：对所述仿真系统进行拓扑分析及验证，若验证通过，进入步骤S604；若否，方法结束；

步骤S604：用户向可视化环境的交互框架发送运行命令，由所述仿真实现光纤激光器设计的系统分析所述仿真系统的配置结构，针对所述仿真系统的各个光纤元器件选择相应的算法模型，以对所述仿真系统进行仿真计算；

步骤S605：对仿真结果进行可视化分析和存储；

所述对所述仿真系统进行拓扑分析及验证，包括：

步骤S1001：初始化拓扑节点，分析并加入各个元器件的前后向连接元器件的关系；

步骤S1002：对于特定输入输出元器件进行上下行分光路处理,所述特定输入输出元器件是指端口分列在两端，且包含了两种数据流向的器件；

步骤S1003：进行拓扑排序；

步骤S1004：进行拓扑归类；所述归类是将算法层的光纤速率方程模型中所需要的元件归为关联元件来处理；

步骤S1005：判断所述仿真系统的各个光纤元器件是否正确连接；若是，进入步骤S1006，若否，进入步骤S1008；

步骤S1006：验证所述仿真系统的各个光纤元器件的数据流是否正确；若是，进入步骤S1007；若否，进入步骤S1008；

步骤S1007：验证通过，方法结束；

步骤S1008：验证未通过，方法结束；

所述对所述仿真系统进行仿真计算包括：

步骤S1301：建立速率方程模型；

所述速率方程模型具有多个泵浦波长、多个波长输出；泵浦波长用λ_p、信号波长用λ_s表示，考虑能级2到能级4的跃迁几率σ₂₄为0，则可用于计算机数值模拟的速率方程的离散形式为：

N₀＝N₁(z)+N₂(z) (1.4)

其中为自发辐射功率；c为光速，c＝2.99792458×10⁸m/s；

为普朗克常数，N₀为总的掺杂离子浓度；

N₁为基态掺杂离子浓度；N₂为激发态掺杂离子浓度；为第m个泵浦光的波长；为第n个信号光的波长；Δλ为离散波长间隔；为第m个波长泵浦光的频率；为第n个波长信号光的频率；N₁(z)为基态粒子数目；N₂(z)为激发态粒子数目；

代表第m个泵浦波长正、反向功率；代表第n个信号波长正、反向功率；为第m个泵浦(p)波长的吸收和发射截面；为第n个信号(s)波长的吸收和发射截面；代表第m个泵浦波长(p)吸收、发射截面；代表第n个信号波长(s)吸收、发射截面；代表第m个泵浦(p)波长、第n个信号(s)波长的损耗系数；对于Nufern光纤，是2dB/km；A_eff有效模式面积：

Γ_p、Γ_s为泵浦光和信号光的光场模式与掺杂离子区域的重叠因子

步骤S1302：确定振荡器边界条件；

考虑激光器正向泵浦功率为反向泵浦功率为那么高反射光栅和低反射光栅的反射率分别为则：

信号光边界条件为：

z＝0处，波长的正向信号功率为反向功率与高反射光栅对该波长反射率之乘积：

z＝L处，波长的反向信号功率为正向功率与输出耦合光栅对该波长反射率之乘积：

这里，反射率和都是关于波长的函数，波长范围可以覆盖泵浦光和信号光；

泵浦光边界条件为：

z＝0处，正向注入泵浦功率总功率为正向注入泵浦功率与反射的反向注入功率之和：

z＝L处，反向注入泵浦功率总功率为反向注入泵浦功率与反射的正向泵浦功率之和：

那么，即激光器的边界条件为：

公式(1.10)-(1.13)为完善的激光器边界条件；

步骤S1303：确定放大器边界条件；

对于放大器，不考虑放大器的端面反射，边界条件如下：

信号光边界条件：

z＝0处，不同激光波长正向注入功率为边界条件为：

z＝L处，不同激光波长反向注入功率为边界条件为：

泵浦光边界条件：

z＝0处，不同泵浦波长正向注入功率为边界条件为：

z＝L处，不同泵浦波长反向注入功率为边界条件为：

步骤S1304：确定振荡器、放大器统一边界条件；

放大器和激光器对于信号光和泵浦光都存在一定反馈，也就是说放大器中对信号和泵浦光的反馈都存在，只是反射率较小；考虑双端泵浦情况下，泵浦光、信号光均存在反射，振荡器、放大器的统一初始条件、边界条件描述如下，

初始条件：

边界条件：

步骤S1305：使用计算机差分法求解速率方程。