无效的激光摹拟

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激光中会发生好多种现象,可使用合适的软件很好地摹拟这些现象。但是,在某些状况下,很可贵到正确的结果。乃至简单的仿真方法也无法提供不实在际的结果。在这里,咱们举一个例子说明这种状况。有人要求咱们为灯泵浦高能激光器的脉打动力学设立仿真。乍一看,这看起来非常简单。但是,很快就会心识到了一个极大的困难。

复杂模式动態

为了有效地提取高能量,激光晶体中的光束面积必须相当大。另外一方面,为了得到短脉冲,激光谐振器需要很短。在那种状况下,不可能设计出具备高光束品质的激光器:晶体中的谐振器模式尺寸必须远远小于晶体的横向尺寸,这样您便可以在很多横向谐振器模式下运行。现在,您可能不太在乎光束品质,为什麽该细节对动力学仿真如此重要?

问题的第一部分是横向模式与晶体的泵浦区域具备不同的重迭,因此也具备不同的激光增益。在咱们的案例中,这个细节尤其重要,因为咱们正在研讨一种自由运行的激光器,该激光器在每个谐振器来回净增益略微为正时就开始生成脉冲。在某些模式下可能满足该条件,但在另外一些模式下则无法满足;普遍,一些模式将开始得到增加的功率,但是因为得到的增益不同,其增长率也将极大不同。

下面是下一个问题:咱们将主要经过那些强模式得到增益饱和,而饱和度主要影响那些模式本身,而且仅在比比较小程度上影响其他模式,这些模式具备明显不同的横向强度散播。因此,原始激光模式的功率增长将降落,而其他激光模式将逐步得到更加多功率。总的来讲,咱们得到了很多模式的复杂相互作用,部分竞争着激光增益。这些复杂的动力学特性还将影响所有模式下总光功率的改变。

简化的模型无法正确描述激光器的实际行为,在极其(但常用)的状况下,该模型仅具备一个动力学变量来激发晶体中的激光活性离子,而腔内光功率为第二个动態变量。

较复杂的模型可以提供帮助么?

为了更现实,必须区分很多激光模式的功率乃至晶体中很多不同位置的激发密度。这样的模型将更加复杂,而且将需要更加多的计算时间。另外,应当意识到,系统的详细发展还将对诸如热透镜,增益引导和不同模式之间的干扰之类的效应非常敏感。很难预计这种影响在详细状况下到底有多严重。但是,很明显,即便是非常复杂的计算机模型也不能简单地被信赖来提供正确的(现实的)结果。原则上,可使用 Fox-and-Li 方法,即,考虑到对该波的各种影响,只是多次将波传播经过晶体。可能吧 ,人们乃至不得不使用光学频次略有不同的多个波。即便无这些,因为每次来回的摹拟都需要花费大量时间,而且普遍需要摹拟很多来回,特别是对自由运行的激光器,因此计算将非常迟缓。

在某些状况下,防止建模!

因此,在这种状况下,经验丰富的专家应奉告消费者不幸的是,数值建模不实在际,必须使用其他解决方案。这就是我所做的。消费者可能并不完全满意,但是应当在浪费大量资源以前及时得到警告。

请注意,很多人不会心识到这样的困难,因此可能会组装一个计算机模型,而不晓得结果将是不可靠的。这再次说明,在实践中,不仅是应当具备功能强盛的软件,而且应当有经验丰富的人士的技术支持,他们可以警告您这些问题。(单靠软件普遍不会给您这样的警告!)不然,您可能会浪费大量时间,首先是要设立一个产生不可靠结果的模型,而后才是被这些结果所误导的模型。不难想象这会对某些开发项目导致多大粉碎。

好运的是,简化模型在很多其他状况下都是相当可靠的。因此,当然不该得出这样的结论:最佳不要完全建模。取而代之的是,只要要找出它在何处适用和有效之处,而在何处却无。如果您得到称职的技术支持,即便您的专业知识有限,也可以安全地工作。



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