RP Photonics Consulting GmbH RP ProPulse 脉冲传输模拟 光学仿真

物理模型
时域和频域
RP ProPulse描述了系统中某个位置的光脉冲状态，该系统在时域中具有复振幅A（t），或在频域中具有振幅A（f）。这些幅度与电场直接相关。快速傅里叶变换（FFT）算法用于根据需要从一个域切换到另一个域。软件的用户不必处理该问题，因为当函数调用访问某些脉冲属性时，软件会自动计算所需域中的字段。例如，当用户请求功率或相位与时间时，软件将计算时间轨迹（如果尚未计算），并且当请求功率谱密度时计算频率轨迹。

数值采样
在每个域中，复振幅存储在某个范围内的等距位置。时域中的采样越精细，光学频率或波长的可访问范围就越大。采样时间范围越大，频率分辨率越精细。
通常，将在256,512或1024个位置对脉冲进行采样。例如，这足以模拟共模锁定激光器的性能，并将导致非常快速的计算。然而，对于极端情况，例如用于跨越倍频程的超连续谱生成，可以使用高达218 = 262’144个采样点。
使用者负责选择足够高的数值分辨率以获得所需的精度。但是，可以使用一些简单的脚本命令自动调整分辨率到给定的模型参数。

光学元件和操作员
例如，使用者可以定义激光谐振腔，其可以包含几乎无限数量的光学元件，例如激光晶体，反射镜，调制器，可饱和吸收器等。如果它的色散或非线性是相关的，一些空气间隔也可以被视为光学元件。
在环形激光器中，在每个谐振腔往返中，脉冲将以给定的顺序传播通过所有这些分量，而在线性谐振腔中，它将在某个末端反射镜处反射并再次通过反向路径上的其他分量。该软件自动将此考虑在内，并允许用户在光学组件之间的任何位置（在前向或后向路径上）访问脉冲属性。
每个光学组件可以具有多个属性，这些属性在软件中用所谓的运算符描述。例如，激光反射镜可以具有用于波长相关损耗和色散的算子。激光晶体可能具有激光器增益的操作器（波长相关的放大，具有增益饱和行为的多种选择），并且可能还有用于色散，克尔非线性或甚至是非瞬时非线性响应的附加算子。受激拉曼散射（SRS）。其他运营商描述了双光子吸收，参量放大，二次谐波产生，脉冲压缩（甚至自动优化色散）或增加量子噪声。操作员的众多选择，加上脚本语言的最大灵活性，使人们能够对大量设备和物理效果进行建模。

计算速度
RP ProPulse非常优良，不仅方便，而且可以进行高速数值计算。这是通过众多措施实现的，包括一般概念和数据结构的整洁设计，以及优化算法的使用。使用者经常对这款软件的速度感到惊讶。

RP ProPulse的版本历史

多年来，该软件一直进行着广泛的开发计划，这极大地扩展了其功能以及用户界面的质量。

V1
这是第一个版本。

V2
第二个版本对用户界面有了实质性改进。

V3
第三个版本允许用户创建以脚本定义的自定义表单，即以文本形式。 这意味着可以根据特定应用定制交互式表单。 下面的屏幕截图只是包含选项卡和图形控件的自定义表单的示例。

下面您将看到用于定义自定义表单的部分代码。 简单但灵活的命令定义编辑哪些变量，显示哪些单位，最小和最大允许值是多少等。

Custom form:
--------------------------------------------------------------
$font: "Arial", bold, size = 24
Passively Mode-Locked Laser
$font: "Courier New", size = 11, space = 2.1
$tabcontrol, size = (530, 0)
$tab "Resonator"
Pulse repetition rate:  ###############
$input f_rep:d6:"Hz", hint = "inverse resonator round-trip time"
Output coupler transmission: ##########
$input T_oc / 0.01:d6:"%"
GDD per round trip:     ###############
$input GDD_tot / 1e-15^2:f0:"fs^2", hint = "assumed to be located at the absorber"
Soliton order:          ###############
$output E0 / E_s:d3, hint = "calculated from initial pulse; values around 1 are suitable for soliton mode locking"
Peak nonlinear phase shift: ###########
$output 2 * SPM_g * P_p0:d3:"rad"
$tabcontrol end

您可以自己制作此类表格，或通过技术支持制作，然后进行非常方便的日常工作处理。 当给出这样的表格时，任何人都可以很容易地完成某些计算而不用自己处理底层脚本代码。 如果以后需要其他功能，只需相应地扩展表单即可。

V4
第四个版本引入了各种功能强大且非常有用的工具来开发脚本：
• 有许多改进的脚本编辑器具有非常方便的功能，例如语法高亮：命令或功能的识别名称和关键字用不同的颜色突出显示。此外，软件以不同方式显示注释和字符串常量等内容。
• 为了便于记起许多支持函数的必需参数，我们引入了所谓的参数帮助。如果您只需键入一个函数名称后跟“（”到编辑器中，您将看到参数帮助;您也可以稍后单击一个函数参数来获取它。
• 您可以快速调用脚本的语法检查而不执行它。
• 您可以根据标准规则自动重新格式化脚本。这样，即使您在编写它们时有些草率，您也可以获得一致的格式化，从而获得可读性很好的脚本。
• 使用新的调试器，您可以按命令执行脚本，并随时检查系统的状态。只需单击一行左侧即可创建断点（以绿色显示，请参见下面的屏幕截图）。同样，您可以调试表达式。在开发复杂的仿真脚本时，这非常有用。

在RP Fiber Power（适用于V7）的版本历史中，您可以找到与RP ProPulse V4相同功能的屏幕截图。

脚本语言
RP ProPulse由强大的脚本语言控制。 在脚本中，可以定义如下内容：

– 模拟器件的物理细节（例如，锁模激光器），如果需要完全参数化形式
– 初始脉冲的特性 – 例如，具有给定参数的光孤子脉冲或高斯脉冲，或包括相位信息的全时或频率追迹
– 一些数值分辨率的参数
– 要进行计算的代码 – 例如，是否有一定数量的谐振腔往返并显示一定的参数
– 用于生成图形输出的代码

编写脚本时，用户不必从头开始 – 人们通常会从一个演示文件的副本开始。

脚本编辑

为了编辑脚本代码，该软件提供了强大的编辑器和相关工具。 屏幕截图显示了一个编辑器：

这些编辑器的一些很棒的功能：

-多级撤消/重做功能
-语法突出显示：识别的命令或函数名称，关键字，注释等以不同颜色显示。 这使得理解结构更容易。
-参数提示：如果输入函数名后跟括号，编辑器将显示所需参数列表的信息。 这样，使用数百种支持的功能变得更加简单。
-语法检查：您可以快速检查脚本的语法而不执行它。
-代码片段库：您可以轻松地将某些经常使用的代码部分插入到脚本中。 （请参见下面的屏幕截图。）用户可以创建自己的代码片段作为该库的扩展。

自定义表格

自V3起，RP ProPulse提供可根据您的特殊需求量身定制的表格。 这样的表格可以在脚本中定义 – 如果您愿意，可以自己定义，或者我们在技术支持内为您完成。

例如，下面的屏幕截图显示了用于设计锁模体激光器的自定义形式。 在各种选项卡中，可以输入所有输入参数并选择在完成计算时应该生成哪些图表。 如果您需要该演示文件的修改版本，那没问题; 例如，您可以轻松添加更多输入和输出字段，并生成更多图表。

请参阅详细说明自定义表单的单独页面。

图形输出的示例

下面的图表都是用RP ProPulse制作的，并说明了它的一些功能。

第一张图显示了三阶孤子的时间演化。 使用RP ProPulse直接准备了一份动画GIF文件（不使用其他软件）。

说明这种演变的另一种方式是从相应的光强度计算出对应于特定时间（水平轴）和传播距离（垂直轴）的每个点的颜色的图。 孤子周期为50.4米，即显示的范围对应于大约两个孤子周期。

以类似的方式，下图显示了光谱演变。

RP ProPulse还具有时间和频率轨迹的交互式显示。 以下示例显示了光纤中某一点的三阶孤子。

RP ProPulse还可以显示各种频谱图。在该示例中，在1064nm（282THz）处的强烈啁啾皮秒脉冲在光纤中传播并产生超连续谱。在光纤色散异常的低频处，可以识别出几个孤子，这些孤子与具有相同群速度的高频分量相互作用。 由于光纤中的群速度色散，低频和高频分量被延迟。 对于给定的光纤长度，初始脉冲的时间翼尚未转换（参见282 THz处的窄带结构）。

还有一个交互式表格（此处未显示），用于生成频谱图和Wigner图。 例如，在可变数量的往返行程之后，您可以轻松访问谐振器中不同位置的脉冲。

综合文件

RP ProPulse以PDF手册的形式提供了非常好的文档。 该手册详细解释了（超过50页）物理模型的原理，用户界面，脚本语言等。该文档的质量对于高效的工业设计工作和科学研究都至关重要：您需要知道 究竟是什么假设，计算的是什么，等等。

技术支持

任何剩余的问题都可以通过技术支持来解决。 我们确保您可能遇到的任何问题很快得到解决。

使用RP ProPulse制作模型的演示

各种示例案例说明了您可以使用RP ProPulse执行的操作：
– 主动模式锁定
– 被动模式锁定
– 孤子锁模体激光器
– 锁模光纤激光器
– 高阶孤子
– 非线性脉冲压缩
– 绝热孤子压缩
– 孤子自频移

许可证持有者可以使用这些和其他一些案例的输入脚本。 为了便于在新项目中启动，您只需复制最接近感兴趣案例的案例的示例文件即可。 但是，您也可以使用交互式表单轻松生成新脚本。