光纤激光器内功率分布数值仿真系统

资 源 简 介

本项目主要用于研究和模拟光纤激光器在工作过程中泵浦光与信号光沿光纤长度方向的功率演变规律。项目由主脚本fiber-laser.m和参数定义函数laser18.m组成。fiber-laser.m作为核心执行程序，通过数值计算方法求解描述光纤激光驱动过程的稳态速率方程组，用以揭示光纤内部复杂的增益与吸收动力学过程。laser18.m则详细定义了激光器的物理参数，包括光纤几何尺寸、掺杂浓度、泵浦波长、信号波长以及相关的吸收和发射截面等关键数据。该系统能够模拟同向泵浦、反向泵浦以及双端泵浦等不同的实验构型，分析泵

详 情 说 明

光纤激光器内功率分布数值仿真系统

项目介绍

本项目是一款专门针对光纤激光器研制的数值仿真系统。它通过建立物理数学模型，模拟光纤激光器在连续波工作状态下，泵浦光与信号光沿光纤长度方向的功率演化过程。该系统旨在帮助研究人员深入理解光纤内部的增益动力学，分析能量在泵浦光与信号光之间的转换机制，为高功率光纤激光器的实验设计、长度优化及散热分析提供可靠的数值依据。

核心功能特性

第一，支持多构型泵浦模式。系统能够同时处理前向泵浦、后向泵浦以及双端泵浦三种典型的激光器工作构型，并可灵活调节各端泵浦功率比例。

第二，高精度稳态求解。系统采用稳态速率方程模型，综合考虑了上能级粒子寿命、受激辐射、自发辐射以及泵浦/信号光的本底损耗。

第三，全过程动力学分析。除了输出功率预测，系统还能计算并展示光纤内部的上能级粒子数分布、局部增益系数分布以及整体光光转换效率。

第四，多维度可视化输出。自动生成包括泵浦光演变、信号光放大趋势、粒子数反转分布以及增益饱和状态在内的四维可视化图表。

系统实现逻辑

系统遵循严谨的物理仿真流程，其执行逻辑如下：

1. 环境初始化与常量定义：首先定义普朗克常数、光速等基础物理常量，并配置光纤的核心物理参数（如纤芯尺寸、截面积、离子掺杂浓度等）。

1. 物理边界条件设定：设定光纤两端输入的泵浦功率强度和信号种子光功率，作为数值计算的起始与约束条件。

1. 边界值问题（BVP）求解：系统将描述激光功率演变的常微分方程组转化为一个两点边界值问题。通过数值迭代算法，在0到光纤总长度L的范围内寻优求解。

1. 速率动态平衡计算：在仿真的每一个空间步长上，系统计算各能级的粒子受激速率，并据此推导出稳态下的上能级粒子数分布。

1. 结果后处理与效率核算：在求解完成后，对全线功率数据进行插值提取，计算最终输出功率与泵浦投入功率的比值，得出光光转换效率。

关键算法与函数分析

1. 数值求解器：利用MATLAB内置的bvp4c求解器处理三阶常微分方程组。该算法能够有效解决激光器仿真中因“反向泵浦”带来的双端边界约束挑战。

1. 核心速率方程组：这是系统的物理心脏。函数内部实现了描述前向泵浦、后向泵浦和信号光变化的微分方程。每一路光功率的变化率由重叠因子、吸收/发射截面、局部粒子数密度以及背景损耗系数共同决定。

1. 增益饱和动力学辅助计算：系统专门设计了饱和分析模块，通过计算光子通量（Wp, Ws）来实时更新上能级粒子数占比（N2/N）。这一算法准确捕捉了信号光增强导致增益系数下降的“增益饱和”物理效应。

1. 边界约束匹配：通过特定的边界条件函数，严格锁定z=0端的前向功率输入和z=L端的后向功率输入，确保数值解符合物理实验的配置。

使用方法

1. 参数配置：在程序开始处的参数定义区域，根据实际实验器材修改光纤长度、掺杂浓度、泵浦波长和信号波长等物理数值。

1. 功率设置：根据模拟需求，调整前向泵浦功率、后向泵浦功率以及种子光功率的数值。如需模拟单端泵浦，将另一端功率设为0即可。

1. 执行仿真：运行主程序脚本，系统将自动进行数值迭代。

1. 结果解读：仿真结束后，系统会自动弹出包含四个子图的分析界面。通过观察“信号光增益趋势”图可获取最终输出功率，通过“增益系数分布”可判断光纤长度是否达到最佳。

系统要求

1. 软件环境：需要安装MATLAB R2014a或更新版本。
2. 必备模块：需要具备MATLAB核心计算工具箱（包含ODE和BVP求解器）。
3. 硬件建议：标准办公PC即可满足计算需求，单次仿真耗时通常在数秒之内。