RP Fiber Power 光纤激光器及光纤器件设计软件——建模原理2

dannie

激光活性离子

该模型可以考虑单一类型的激光活性离子，或几种此类离子类型。

假设任何离子都有许多能级。这些能级事实上代表整个斯塔克能级。不容易分辨单个斯塔克能级，因为晶格中光子在亚能级之间跃迁很快，非常难获得单个亚能级的光谱。取而代之使用波长相关的有效跃迁，考虑所有亚能级之间的跃迁的加权平均。

所有离子类型的电子能级按一个方案编号。比如，对于铒镱共掺光纤，我们考虑3个能级的铒和2能级的镱。能级1到3是铒，能级4到5是镱：

上图中还显示了各种跃迁。受激跃迁（由光引起）用粗箭头表示，而自发跃迁用细箭头表示。更详细地说，跃迁如下

l 一些泵浦波如980nm波长可以激发铒离子从1能级到3能级。忽略相反方向的受激辐射。

l 从3级到2级有一个快速的非辐射跃迁。这与光学影响或光的发射无关，而是与多声子发射有关。

l 激光（或放大器）从2能级跃迁到1能级，发射在1.5μm的光谱区域。而且，光可以被重新吸收，从1能级到2能级激发离子。

l 镱离子也可以从4能级泵到5能级或向下通过受激或自发辐射。

l 最后，这里可能有一个能量转移，镱离子从5能级到4能级的能量使饵离子从1能级泵到3能级。

除了基态外，模型中只考虑了亚稳态。例如，如果假设从3能级到2能级的非辐射传输速度是无限快的，3能级将被消除。980nm左右的铒泵送将直接进入2能级，同样的情况也适用于能量传递过程。

能级粒子数表示为n1到n5，取决于在光纤中的位置。一定离子类型的所有能级粒子数总和为1。上述例子中，基态对应n1=n4=1，n2=n3=n5=0。

为了计算光吸收或光放大的电子能级的粒子数，使用如下用户定义的参数：

l 对于自发跃迁（辐射跃迁或非辐射跃迁），当跃迁速率与起始能级的粒子数成比例时，用户指定起始能级中每个离子的跃迁速率。

l 对于光致跃迁（吸收或受激发射），使用波长相关的有效跃迁。软件自动决定哪个光信道与某些跃迁相关。

l 可以有淬火过程，其中从某一起始能级到某个结束能级的跃迁率与开始能级的粒子数的平方或立方成比例。用户定义比例常数。

l 对于能量传输，用户指定两个起始能级（可能相同）和两个结束能级，以及比例系数。

在许多情况下，用具有以下特性的简化的增益模型：

l 除了基态外，只有一个亚稳态激发能级，具有一定的上能级寿命。

l 任何光子吸收都会把离子带到激发态，自发或受激发射会把它们带回到基态。

即使存在多个激发能级，只要其中一个是亚稳态的，另一些是非常短的寿命，这个模型也可以经常应用。例如，泵浦可能发生在短寿命的3能级，离子通过多声子发射迅速转移到亚稳态2能级。例如，这是在980nm光谱区域泵浦铒的情况。只是在这种简化的模型中不能考虑诸如上转换等额外的复杂情况。