See Fiber Laser：我国首款光纤激光仿真软件

王小林 吕品 张汉伟

国防科技大学与中国科学院软件研究所、广州中国科学院软件应用技术研究所联合，研发并推出了我国首款光纤激光仿真软件——See Fiber Laser，它的面世有望推动国内光纤激光基础理论研究，并带动我国光纤激光产业的发展。

光学领域绝大部分仿真软件被国外垄断

光纤激光器具有体积小、重量轻、效率高、性能稳定、维护简单等优点，在飞机、汽车、船舶、矿山机械等先进制造领域得到了广泛应用。

根据《激光世界》杂志的粗略估算，目前国内的光纤激光器市场销售额在45亿左右，而IPG、罗芬、恩耐、业纳、SPI等外国品牌几乎占据了全部市场的三分之二和高端市场的100%，国内厂商的产品主要集中在2千瓦以下的中低功率领域。究其原因，除了国内企业在光纤激光器的材料、器件支撑能力不如国外，另外一个容易忽视的重要因素是国内企业的理论基础和设计能力与国外企业也存在较大的差距。

图 典型光纤激光器结构

如果有一款界面友好、模型完善、计算效率高的仿真软件能够指导光纤激光器研发和设计，有望助推我国光纤激光产业竞争力的提升。

See Fiber Laser：国产光纤激光仿真软件PC版

See Fiber Laser基于相干激光耦合波方程，可以对高功率掺镱连续光纤激光器和脉冲光纤激光器进行仿真。仿真中考虑放大自发辐射（ASE）、受激拉曼散射（SRS）、受激布里渊散射（SBS）、四波混频（FWM）等非线性效应；仿真结束后，可根据需要给出功率、光谱、时域、温度等数据并进行作图，计算结果可以MATLAB格式存储。

视频 See Fiber Laser的激光器结构和仿真参数设置

高功率光纤放大器的仿真结果：包括功率、光谱、反转粒子数和增益光纤温度分布等。利用纤芯直径为20μm的掺镱光纤进行放大，在种子功率100W、抽运功率5000W时，发现放大器输出光谱中出现一定程度的SRS。

(a) 增益光纤中的抽运和信 功率分布(b) 输出激光光谱

(c) 增益光纤纤芯和表面温度(d) 增益光纤上能级粒子数分布

图 放大器中的ASE和SRS仿真显示的部分结果

单频放大器中SBS信 的动态特性仿真结果：下图(a)为某一时刻，单频放大器增益光纤内部抽运、信 、SRS和SBS的功率演化特性。在SBS刚出现时，各个信 的功率没有明显的变化；但从纳秒尺度的时域来看，输出信 和后向SBS的时域都会出现明显的脉冲特性。

(a) 增益光纤内部功率分布(b) 信 光和SBS信 的时域分布

图 单频放大器中SBS效应的仿真结果

See Fiber Tool：光纤激光计算“掌中宝”

为了给光纤激光研究提供快速的参考计算，基于光纤光学的基本物理模型，研究团队开发了PC版和Android手机版的光纤激光工具集SFTool。

SFTool能够对多种参数进行计算，包括连续和脉冲激光基本特性参数、非线性效应（包括SBS、SRS、FWM）参数、光纤基本参数、光纤模式与光强分布、光束质量因子、不同模式弯曲损耗和模式不稳定功率阈值等。其中，模式不稳定效应是2010年以来发现影响光纤激光输出功率的重要限制因素。国防科技大学在国内最早开展光纤激光模式不稳定研究，建立了理论模型并进行了实验验证，软件中模式不稳定阈值计算采用了研究团队的最新研究成果。

光纤中模式计算结果如下图(a)所示，其中给出了LP55模式的振幅形态。不同模式和功率比情况下，多模光束的光束质量和光斑形态计算结果如下图(b)所示，其中LP01：LP02：LP03：LP04=1：1：1：1，光束质量M2=3.97。

(a) LP55模式振幅

(b) LP01:LP02:LP03:LP04=1:1:1:1

图 SFTool计算光纤模式和光束质量因子

纤芯直径为50μm的光纤、初始高阶模比例为0.01时，半导体激光抽运光纤放大器的模式不稳定功率阈值和非线性耦合系数：其模式不稳定的功率阈值在236W左右，非线性耦合系数的最大值为0.107，对应的耦合频率为-0.8 kHz。

图 SFTool计算模式不稳定功率阈值

Android版软件功能与PC版类似，目前是测试版，可以通过图中的二维码下载试用。

图 Android版SFTool二维码及界面

目前，开发团队正在开发SFTool的IOS版，计划在2017年6月30日前，将SFTool的PC版、手机版（Android、IOS）同时在团队 站seelight.net上线；现正在对See Fiber Laser进行全面验证，计划于2017年8月30日前推出该软件的教学版本，免费供国内高校、研究所、企业使用。

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