本发明提供了一种被动锁模光纤激光器动力学计算方法及系统，该被动锁模光纤激光器动力学计算方法包括：步骤1：输入随机噪声；步骤2：用带有增益的非线性薛定谔方程描述掺铒光纤EDF脉冲的传输过程；步骤3：用非线性薛定谔方程描述单模光纤SMF脉冲的传输过程；步骤4：使用饱和吸收体SA产生超短脉冲；步骤5：使用输出耦合器OC将脉冲输出到外界的探测仪器中；步骤6：判断脉冲能量是否保持不变，若是，那么输出仿真结果，否则执行步骤2。本发明的有益效果是：对比之前所采用的有限差分法求解非线性薛定谔方程，本发明通过使用分布傅里叶算法，将程序的时间复杂度降低了一个数量级，在保持算法高准确率的情形下，大大提高了运行速度。
1.一种被动锁模光纤激光器动力学计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，输入步骤：输入随机噪声；
步骤2，第一处理步骤：用带有增益的非线性薛定谔方程描述掺铒光纤EDF脉冲的传输过程；
步骤3，第二处理步骤：用非线性薛定谔方程描述单模光纤SMF脉冲的传输过程；
步骤4，第三处理步骤：使用饱和吸收体SA产生超短脉冲；
步骤5，第四处理步骤：使用输出耦合器OC将脉冲输出到外界的探测仪器中；
步骤6，判断步骤：判断脉冲能量是否保持不变，若是，那么输出仿真结果，否则返回执行步骤2。
2.根据权利要求1所述的被动锁模光纤激光器动力学计算方法，其特征在于，在所述步骤1，输入步骤中，随机噪声为高斯白噪声。
3.根据权利要求1所述的被动锁模光纤激光器动力学计算方法，其特征在于，在所述步骤2，第一处理步骤中，带有增益的非线性薛定谔方程为：其中A为光振幅，i为纯虚数，T为时间，T2为偶极子驰豫时间，g为增益系数，α代表损耗，γ代表非线性系数，β2为二阶色散。
4.根据权利要求1所述的被动锁模光纤激光器动力学计算方法，其特征在于，在所述步骤3，第二处理步骤中，非线性薛定谔方程为：其中A为光振幅，i为纯虚数，T为时间，α代表损耗，γ代表非线性系数，β2为二阶色散。
5.根据权利要求1所述的被动锁模光纤激光器动力学计算方法，其特征在于，在所述步骤5，第四处理步骤中，所述探测仪器包括光谱仪或者示波器。
6.根据权利要求1所述的被动锁模光纤激光器动力学计算方法，其特征在于，在所述步骤6，判断步骤中，通过判断脉冲能量是否保持不变来判断此时的脉冲是否已经收敛，如果脉冲能量不变就停止运行程序并保存相关的仿真结果；否则返回执行步骤2。
7.一种被动锁模光纤激光器动力学计算系统，其特征在于，包括：输入模块：用于输入随机噪声；
第一处理模块：用带有增益的非线性薛定谔方程描述掺铒光纤EDF脉冲的传输过程；
第二处理模块：用非线性薛定谔方程描述单模光纤SMF脉冲的传输过程；
第四处理模块：使用输出耦合器OC将脉冲输出到外界的探测仪器中；
判断模块：用于判断脉冲能量是否保持不变，若是，那么输出仿真结果，否则运行第一处理模块。
8.根据权利要求7所述的被动锁模光纤激光器动力学计算系统，其特征在于，第一处理模块中，带有增益的非线性薛定谔方程为：其中A为光振幅，i为纯虚数，T为时间，T2为偶极子驰豫时间，g为增益系数，α代表损耗，γ代表非线性系数，β2为二阶色散。
9.根据权利要求7所述的被动锁模光纤激光器动力学计算系统，其特征在于，在所述第二处理模块中，非线性薛定谔方程为：其中A为光振幅，i为纯虚数，T为时间，α代表损耗，γ代表非线性系数，β2为二阶色散。
10.根据权利要求7所述的被动锁模光纤激光器动力学计算系统，其特征在于，在所述输入模块中，随机噪声为高斯白噪声；在所述判断模块中，通过判断脉冲能量是否保持不变来判断此时的脉冲是否已经收敛，如果脉冲能量不变就停止运行程序并保存相关的仿真结果；否则返回运行第一处理模块。
一种被动锁模光纤激光器动力学计算方法及系统
技术领域
[0001] 本发明涉及光纤激光器技术领域，尤其涉及一种被动锁模光纤激光器动力学计算方法及系统。
背景技术
[0002] 传统的方法是用有限差分法求解非线性薛定谔方程的数值解。在相同的准确率下，传统的方法计算速度比较慢，对电脑配置要求比较高，难以满足实际要求。
发明内容
[0003] 本发明提供了一种被动锁模光纤激光器动力学计算方法，包括如下步骤：
[0004] 步骤1，输入步骤：输入随机噪声；
[0005] 步骤2，第一处理步骤：用带有增益的非线性薛定谔方程描述掺铒光纤EDF脉冲的传输过程；
[0006] 步骤3，第二处理步骤：用非线性薛定谔方程描述单模光纤SMF脉冲的传输过程；
[0007] 步骤4，第三处理步骤：使用饱和吸收体SA产生超短脉冲；
[0008] 步骤5，第四处理步骤：使用输出耦合器OC将脉冲输出到外界的探测仪器中；
[0009] 步骤6，判断步骤：判断脉冲能量是否保持不变，若是，那么输出仿真结果，否则返回执行步骤2。
[0010] 作为本发明的进一步改进，在所述步骤1，输入步骤中，随机噪声为高斯白噪声。
[0011] 作为本发明的进一步改进，在所述步骤2，第一处理步骤中，带有增益的非线性薛定谔方程为：
[0012]
[0013] 其中A为光振幅，i为纯虚数，T为时间，T2为偶极子驰豫时间，g为增益系数，α代表损耗，γ代表非线性系数，β2为二阶色散。
[0014] 作为本发明的进一步改进，在所述步骤3，第二处理步骤中，非线性薛定谔方程为：
[0015]
[0016] 其中A为光振幅，i为纯虚数，T为时间，α代表损耗，γ代表非线性系数，β2为二阶色散。
[0017] 作为本发明的进一步改进，在所述步骤5，第四处理步骤中，所述探测仪器包括光谱仪或者示波器。
[0018] 作为本发明的进一步改进，在所述步骤6，判断步骤中，通过判断脉冲能量是否保持不变来判断此时的脉冲是否已经收敛，如果脉冲能量不变就停止运行程序并保存相关的仿真结果；否则返回执行步骤2。
[0019] 本发明还提供了一种被动锁模光纤激光器动力学计算系统，包括：
[0020] 输入模块：用于输入随机噪声；
[0021] 第一处理模块：用带有增益的非线性薛定谔方程描述掺铒光纤EDF脉冲的传输过程；
[0022] 第二处理模块：用非线性薛定谔方程描述单模光纤SMF脉冲的传输过程；
[0023] 第三处理模块：使用饱和吸收体SA产生超短脉冲；
[0024] 第四处理模块：使用输出耦合器OC将脉冲输出到外界的探测仪器中；
[0025] 判断模块：用于判断脉冲能量是否保持不变，若是，那么输出仿真结果，否则运行第一处理模块。
[0026] 作为本发明的进一步改进，第一处理模块中，带有增益的非线性薛定谔方程为：
[0027]
[0028] 其中A为光振幅，i为纯虚数，T为时间，T2为偶极子驰豫时间，g为增益系数，α代表损耗，γ代表非线性系数，β2为二阶色散。
[0029] 作为本发明的进一步改进，在所述第二处理模块中，非线性薛定谔方程为：
[0030]
[0031] 其中A为光振幅，i为纯虚数，T为时间，α代表损耗，γ代表非线性系数，β2为二阶色散。
[0032] 作为本发明的进一步改进，在所述输入模块中，随机噪声为高斯白噪声；在所述判断模块中，通过判断脉冲能量是否保持不变来判断此时的脉冲是否已经收敛，如果脉冲能量不变就停止运行程序并保存相关的仿真结果；否则返回运行第一处理模块。
[0033] 本发明的有益效果是：对比之前所采用的有限差分法求解非线性薛定谔方程，本发明通过使用分布傅里叶算法，将程序的时间复杂度降低了一个数量级，在保持算法高准确率的情形下，大大提高了运行速度。
附图说明
[0034] 图1是本发明的对称分步傅里叶法示意图；
[0035] 图2是本发明的方法流程图；
[0036] 图3是本发明的可视化界面图。
具体实施方式
[0037] 针对有限差分法计算速度比较慢的问题，本发明采用对称分布傅里叶方法求解非线性薛定谔方程，在相同的准确率下，时间复杂度比有限差分法降低了一个数量级，计算速度明显提高。
[0038] (1)对称分布傅里叶方法:
[0039] 本质上，非线性薛定谔方程可以写成以下形式：
[0040]
[0041]
[0042]
[0043] 其中D是微分算符，代表线性介质的色散和损耗。N是非线性算符，代表脉冲在光纤中传播时的非线性效应，α代表损耗，γ代表非线性系数，β2为二阶色散。
[0044] 通常情况下，当脉冲在光纤中传播时，色散和非线性效应是同时影响到脉冲传播的，对称分布傅里叶方法假设在一段很短的距离h内，色散和非线性效应分别单独影响脉冲传播，由于h非常小，因此这种假设对最终的结果影响不大。
[0045] 当脉冲在光纤中传播时，第一步只考虑脉冲的色散项D，第二步只考虑脉冲的非线性项N,用数学方式表达为：
[0046]
[0047] 在实际的应用中，通常采用分布傅里叶方法的以下形式来进一步提高运算速度：
[0048]
[0049] 图1是具体的对称分步傅里叶法。在图1中，L＝Mh为总的光纤长度。(2)被动锁模光纤激光器的理论模型:
[0050] 本发明采用脉冲追踪法对光纤激光器进行建模。当脉冲在单模光纤中传播时用非线性薛定谔方程描述：
[0051]
[0052] 其中A为光振幅，i为纯虚数，T为时间，α代表损耗，γ代表非线性系数，β2为二阶色散。
[0053] 当脉冲在增益光纤中传播时，使用带有增益的非线性薛定谔方程描述：
[0054]
[0055] 其中T2为偶极子驰豫时间。g为增益系数。A为光振幅，i为纯虚数，T为时间，α代表损耗，γ代表非线性系数，β2为二阶色散。
[0056] 脉冲在耦合器和饱和吸收体等光学器件中传播时，将光场乘以相应的透射率函数。饱和吸收体的透射率函数为：
[0057]
[0058] 其中Psat为饱和功率，T0为低功率时的透射率，ΔT为调制深度。
[0059] 如图2所示，本发明公开了一种被动锁模光纤激光器动力学计算方法，包括如下步骤：
[0060] 步骤1，输入步骤：输入随机噪声；为了能够更加真实模拟激光器起振过程，我们将输入脉冲设置为随机噪声(高斯白噪声)。
[0061] 步骤2，第一处理步骤：用带有增益的非线性薛定谔方程描述掺铒光纤EDF脉冲的传输过程，掺铒光纤EDF是光纤激光器的增益介质，主要用于光的受激辐射放大。
[0062] 步骤3，第二处理步骤：用非线性薛定谔方程描述单模光纤SMF脉冲的传输过程，单模光纤SMF用于连接环形腔中的光学每个元件并且调节整个腔的净色散。
[0063] 步骤4，第三处理步骤：使用饱和吸收体SA产生超短脉冲，饱和吸收体SA是锁模光纤激光器中的锁模器件。
[0064] 步骤5，第四处理步骤：使用输出耦合器OC将环形腔的脉冲输出到外界的探测仪器中，比如光谱仪或者示波器。
[0065] 步骤6，判断步骤：判断脉冲能量是否保持不变，若是，那么输出仿真结果，否则返回执行步骤2；通过判断脉冲能量是否保持不变来判断此时的脉冲是否已经收敛，如果脉冲能量不变就停止运行程序并保存相关的仿真结果；否则返回执行步骤2。
[0066] 本发明还公开了一种被动锁模光纤激光器动力学计算系统，包括：
[0067] 输入模块：用于输入随机噪声；
[0068] 第一处理模块：用带有增益的非线性薛定谔方程描述掺铒光纤EDF脉冲的传输过程；
[0069] 第二处理模块：用非线性薛定谔方程描述单模光纤SMF脉冲的传输过程；
[0070] 第三处理模块：使用饱和吸收体SA产生超短脉冲；
[0071] 第四处理模块：使用输出耦合器OC将脉冲输出到外界的探测仪器中；
[0072] 判断模块：用于判断脉冲能量是否保持不变，若是，那么输出仿真结果，否则运行第一处理模块。
[0073] 在第一处理模块中，带有增益的非线性薛定谔方程为：
[0074]
[0075] 其中T2为偶极子驰豫时间，g为增益系数，α代表损耗，γ代表非线性系数，β2为二阶色散。
[0076] 在所述第二处理模块中，非线性薛定谔方程为：
[0077]
[0078] α代表损耗，γ代表非线性系数，β2为二阶色散。
[0079] 在所述输入模块中，随机噪声为高斯白噪声；在所述判断模块中，通过判断脉冲能量是否保持不变来判断此时的脉冲是否已经收敛，如果脉冲能量不变就停止运行程序并保存相关的仿真结果；否则返回运行第一处理模块。
[0080] 本发明通过使用matlab编写相关算法，并成功实现了上述的理论模型，关键代码如下所示：
[0081] u＝EDF(length_gain,beta2_gain,gamma_gain,loss_gain,g0,T2,Es)；
[0082] u＝sqrt(OC)*u；
[0083] u＝SMF(length_SMF,beta2_SMF,gamma_SMF,loss_SMF)；
[0084] u＝SA(u,deltaT,Psat,T0_SA)；
[0085] 同时为了方便用户进行可视化操作，同时也可视化界面，如图3所示，用户只需要正确设置相关的光纤参数，并点击Start按钮，便可以开始仿真。
[0086] 本发明的有益效果：对比之前所采用的有限差分法求解非线性薛定谔方程，本发明通过使用分布傅里叶算法，将程序的时间复杂度降低了一个数量级，在保持算法高准确率的情形下，大大提高了运行速度。
[0087] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
