高性能光纤激光器数值模拟与特性分析系统

资 源 简 介

本项目是一款为光纤激光器科研人员量身定制的高精度数值仿真工具。其核心任务是模拟光纤激光器内部复杂的光色互作用过程，涵盖了从连续波输出到超短脉冲生成的全物理链条。该系统基于广义非线性薛定谔方程（GNLSE），利用成熟的分步傅里叶算法（SSFM）计算光电场在增益光纤、无源光纤及色散补偿元件中的演化过程。其功能不仅限于简单的理论计算，更集成了复杂的激光速率方程，能够动态模拟光纤中粒子数反转与信号光强之间的相互制约关系。该项目在实现方法上涵盖了有限差分法处理空间网格划分，以及多阶龙格库塔法求解泵浦方程。应用场景涵

详 情 说 明

高性能光纤激光器数值模拟与特性分析系统

项目介绍

本项目是一款专门针对光纤激光器科研领域开发的高精度数值仿真工具。系统致力于模拟光纤激光器内部复杂的光色互作用全过程，能够实现从泵浦动力学分析到超短脉冲非线性演化的深度计算。通过耦合激光速率方程与广义非线性薛定谔方程（GNLSE），本系统为科研人员提供了探索高功率连续光及超快脉冲光在增益介质中传输规律的可视化平台，是光纤激光器设计、参数优化及物理机制研究的有力工具。

功能特性

• 全物理链条仿真：涵盖了功率演化、粒子数反转平衡、色散效应及非线性效应的协同模拟。
• 高精度动力学计算：集成速率方程求解模块，支持对掺镱（Yb3+）光纤等增益介质的泵浦吸收与信号放大过程进行迭代计算。
• 非线性演化分析：基于分步傅里叶算法，精确模拟自相位调制（SPM）、二阶及三阶色散对脉冲形态的影响。
• 增益饱和模型：内置动态增益饱和机制，能够真实反映脉冲能量与增益介质之间的相互制约关系。
• 全面的可视化报告：系统自动生成斜率效率曲线、脉冲时域波形、光谱功率谱密度（PSD）以及空间演化云图。

使用方法

1. 环境配置：确保计算环境已安装支持矩阵运算的语言平台。
2. 参数定义：根据实验需求，在程序初始部分的“物理常数与全局参数设置”区域修改光纤长度、掺杂浓度、色散系数及非线性系数等物理参数。
3. 运行仿真：执行主程序，系统将依次启动泵浦功率迭代计算模块和脉冲演化模拟模块。
4. 结果导出：程序运行完成后将自动弹出多维度分析图表，并在控制台输出包含斜率效率、单脉冲能量及峰值功率在内的数值报告。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
• 硬件建议：具备 8GB 以上内存，以保证在进行高采样点数（如 2的10次方以上）SSFM 计算时的响应速度。

实现逻辑与功能详细说明

系统在内部逻辑上分为五个核心步骤，每一步都严格遵循物理演化过程：

1. 全局参数初始化

系统首先预定义普朗克常数、光速等基础物理常量，并详细设置增益光纤（YDF）的几何参数（如纤芯直径、有效模场面积）和物理特性（如二阶色散beta2、三阶色散beta3、非线性系数gamma）。同时构建了仿真所需的时频域网格，利用FFT工作原理确定了频率分量间隔与时间窗口。

1. 泵浦功率与斜率效率计算逻辑

该模块通过对泵浦功率设定梯度，模拟激光器在不同激发强度下的表现。逻辑核心在于分段定点迭代法： * 将增益光纤沿轴向划分为细小空间步长。 * 在每一次腔内往返中，根据吸收和发射截面（sigma_ap/ep/as/es）计算上能级粒子数反转（N2）。 * 通过速率方程实时更新泵浦光（Pp）与信号光（Ps）的功率演化。 * 结合输出耦合率（R_oc）进行多次往返迭代，直至功率达到稳态，从而拟合出激光器的斜率效率。

1. 超短脉冲演变（GNLSE求解）逻辑

利用分步傅里叶算法（SSFM）求解光脉冲在光纤中的非线性传输过程： * 线性算子处理：在频率域执行，通过预计算的色散算子（包含beta2和beta3的影响）一次性补偿或加入相移。 * 非线性算子处理：在时间域执行，计算由光场自身强度引起的自相位调制（SPM）相移。 * 动态增益耦合：在每一传播步长（dz）中，系统根据脉冲当前的累积能量与饱和能量（E_sat）对比，计算饱和增益系数，动态调整光场强度。

1. 数据分析与可视化实现

系统利用内置的绘图模块，将计算结果转化为直观的物理图表： * 通过线性拟合（polyfit）计算并展示从泵浦功率到输出功率的转化效率。 * 利用傅里叶变换将时域电场转化为频域功率谱密度，并以分贝（dB）为单位展示光谱宽度与形态。 * 采用三维曲面绘图（surf）生动刻画脉冲在光纤内传播时，能量随距离变化的时空演变云图。

关键算法分析

• 分步傅里叶法（SSFM）：这是本系统的核心数值算法。其优势在于将复杂的非线性偏微分方程分解为线性（色散）和非线性两个独立部分，分别在频域和时域中以极高的效率求解。系统通过fftshift和fft指令完成了时频域的快速转换。
• 速率方程耦合算法：不同于简单的增益放大，本系统实现了粒子数动态平衡与信号光演化的深度耦合。通过计算受激辐射和自发辐射（由tau_f定义）的竞争，能够精确捕捉激光器的阈值特性及增益饱和行为。
• 多阶色散补偿模拟：代码中不仅考虑了群速度色散（GVD），还引入了三阶色散（TOD），这对于模拟100fs至ps量级的超短脉冲在宽带宽光纤激光器中的演化至关重要。