CN101546356A - 光纤激光器脉冲整形系统仿真装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤激光器脉冲整形系统的仿真方法，包括以下步骤：模块化设计光纤激光器脉冲整形系统的各个部件，使得每个部件模块包括对应的物理参数设置和物理模型计算内核；结合各个部件模块搭建光纤激光器脉冲整形系统的图形操作界面；根据各个部件模块对应的物理参数设置和物理模型计算内核计算所搭建光纤激光器脉冲整形系统的整形脉冲输出；以及在图形操作界面上显示整形脉冲输出的波形和/或光谱信息。本发明实现简便且能够较好地仿真光纤激光器脉冲整形系统的实验过程。

Description

光纤激光器脉冲整形系统仿真装置和方法

技术领域

本发明涉及软件仿真技术，尤其涉及一种光纤激光器脉冲整形的仿真技术。

背景技术

高功率光纤激光光源在工业加工、印刷、打标、军事、医疗和通信事业上有着巨大的应用。目前高功率光纤激光光源采用主振荡器功率放大的结构，即由一个光纤激光器脉冲整形系统输出具有一定能量、一定脉冲宽度、一定上升沿及任意整形能力的脉冲，该脉冲被后端放大器逐级放大得到满足要求的功率输出。因此，光纤激光器脉冲整形技术是高功率激光光源的关键性技术。

目前光纤激光器脉冲整形技术主要有三类，频谱调制整形、时域调制和脉冲堆积三种。脉冲堆积整形技术的基本思想是利用数个短脉冲通过时间上的首尾相边组合成一个长脉冲。脉冲堆积整形技术中既使用到了短脉冲，又可以整形出长脉冲，具有灵活实用的特点，适用范围可以从亚皮秒至纳秒，填补了频谱调制整形技术和时域调制整形技术的空白。而且其技术只依赖于堆积的原始脉冲和延时控制，实现简单。脉冲堆积整形技术作为新型脉冲整形技术，具有任意整形、较快上升沿、简单实用等特性，非常适用于纳秒及亚皮秒级脉冲整形。

对于相关科技工作者，要使用脉冲堆积整形技术得到具有一定脉冲宽度、一定能量、一定上升沿、任意整形的脉冲输出，最直接的方法是通过搭建光纤激光器脉冲整形系统进行实验。然而，直接进行实验却有一些不利之处，尤其是在对光纤激光器脉冲整形系统中各组件的输出功率和脉冲堆积器的参数还无法确定时，贸然进行实验可能会导致系统中器件的损毁，造成人员伤亡和财物损失。

因此，目前亟需提出一种光纤激光器整形仿真方案，尤其是基于脉冲堆积整形技术的仿真技术。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决现有技术中的上述问题之一。

为此，本发明的实施例提出一种光纤激光器脉冲整形系统的软件仿真方法，实现简便，且能够较好地仿真光纤激光器脉冲整形系统的实验过程。

根据本发明的一个方面，本发明实施例提出一种光纤激光器脉冲整形系统的仿真方法，所述仿真方法包括以下步骤：模块化设计光纤激光器脉冲整形系统的各个部件，使得每个部件模块包括对应的物理参数设置和物理模型计算内核；结合所述各个部件模块搭建光纤激光器脉冲整形系统的图形操作界面；根据所述各个部件模块对应的物理参数设置和物理模型计算内核计算所述搭建光纤激光器脉冲整形系统的整形脉冲输出；以及在所述图形操作界面上显示所述整形脉冲输出的波形和/或光谱信息。

根据本发明进一步的实施例，所述各个部件模块包括锁模激光器模块、脉冲堆积器模块、光纤放大器模块、光纤分束器模块、示波器模块和光谱仪模块，所述锁模激光器模块的输出端与所述脉冲堆积器模块的输入端连接，所述光纤放大器模块的输入端和输出端分别与所述脉冲堆积器模块的输出端、所述光纤分束器模块的输入端连接，所述光纤分束器模块的输出端分别连接到所述示波器模块和所述光谱仪模块上。

根据本发明再一步的实施例，根据所述锁模激光器模块对应的物理模型计算内核及物理参数设置计算得到第一脉冲U(t)，所述物理模型计算内核通过以下公式表示：

$U\left(t\right)=\sqrt{P_0+P_N}\exp [-\frac{t^2}{{{2T}_0}^2}(1+\mathrm{iC})]\exp [-2\mathrm{\πvt}]$

其中，时间宽度T₀、中心频率v、峰值功率P₀、啁啾系数C和噪声功率P_N为所述锁模激光器模块对应的物理参数设置。

根据本发明再一步的实施例，根据所述脉冲堆积器模块对应的物理模型计算内核及物理参数设置对所述第一脉冲U(t)进行处理得到第二脉冲E(t)，所述物理模型计算内核通过以下公式表示：

$E\left(t\right)=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{j}U(t-{\mathrm{\τ}}_j)$

其中，分束路数量n、每路的幅度衰减α_j以及路间延迟τ_j为所述脉冲堆积器模块对应的物理参数设置，j＝1，2，...，n。

根据本发明再一步的实施例，根据所述光纤放大器模块对应的物理模型计算内核及物理参数设置对所述第二脉冲的光功率P₀进行放大，所述物理模型计算内核通过以下公式表示：

P＝GP₀+(G-1)N_sphvB

其中，功率阈值P_th、增益G、噪声因子N_sp、带宽B、中心频率v和普朗克常数h为所述光纤放大器模块对应的物理参数设置。

根据本发明进一步的实施例，还包括设置所述各个部件模块的计算状态变量的步骤，所述计算状态变量用于标识对应的部件模块是否已被计算。其中在搭建所述光纤激光器脉冲整形系统图形操作界面时，设置所述各个部件模块的计算状态变量为未被计算。

根据本发明再一步的实施例，还包括检测所述各个部件模块是否可以被对应的物理模型计算内核进行计算和/或已被计算的步骤。当所述部件模块不包括输入端口或者包括的输入端口被占满且所述计算状态变量标识为未被计算时，检测所述部件模块可被计算。当所述部件模块包括输入端口并且所述输入端口未被占满时，检测所述部件模块不可被计算。

根据本发明的另一方面，本发明的实施例提出一种光纤激光器脉冲整形系统的仿真装置，所述仿真装置包括：模块化设计单元，所述模块化设计单元对光纤激光器脉冲整形系统的各个部件进行模块化设计，使得每个部件模块包括对应的物理参数设置和物理模型计算内核；图形界面搭建单元，所述图形界面搭建单元结合所述各个部件模块搭建光纤激光器脉冲整形系统的图形操作界面；计算单元，所述计算单元根据所述各个部件模块对应的物理参数设置和物理模型计算内核计算所述搭建光纤激光器脉冲整形系统的整形脉冲输出；以及显示单元，用于在所述图形操作界面上显示所述整形脉冲输出的波形和/或光谱信息。

根据本发明进一步的实施例，所述各个部件模块包括锁模激光器模块、脉冲堆积器模块、光纤放大器模块、光纤分束器模块、示波器模块和光谱仪模块，所述锁模激光器模块的输出端与所述脉冲堆积器模块的输入端连接，所述光纤放大器模块的输入端和输出端分别与所述脉冲堆积器模块的输出端、所述光纤分束器模块的输入端连接，所述光纤分束器模块的输出端分别连接到所述示波器模块和所述光谱仪模块上。

根据本发明再一步的实施例，所述计算单元利用所述锁模激光器模块对应的物理模型计算内核和所述物理参数设置计算得到第一脉冲U(t)，所述物理模型计算内核通过以下公式表示：

$U\left(t\right)=\sqrt{P_0+P_N}\exp [-\frac{t^2}{{{2T}_0}^2}(1+\mathrm{iC})]\exp [-2\mathrm{\πvt}]$

其中，时间宽度T₀、中心频率v、峰值功率P₀、啁啾系数C和噪声功率P_N为所述锁模激光器模块对应的物理参数设置。

根据本发明再一步的实施例，所述计算单元利用所述脉冲堆积器模块对应的物理模型计算内核及物理参数设置对所述第一脉冲U(t)进行处理得到第二脉冲E(t)，所述物理模型计算内核通过以下公式表示：

$E\left(t\right)=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{j}U(t-{\mathrm{\τ}}_j)$

其中，分束路数量n、每路的幅度衰减α_j以及路间延迟τ_j为所述脉冲堆积器模块对应的物理参数设置，j＝1，2，...，n。

根据本发明再一步的实施例，所述计算单元利用所述光纤放大器模块对应的物理模型计算内核及物理参数设置对所述第二脉冲的光功率P₀进行放大，所述物理模型计算内核通过以下公式表示：

P＝GP₀+(G-1)N_sphvB

其中，功率阈值P_th、增益G、噪声因子N_sp、带宽B、中心频率v和普朗克常数h为所述光纤放大器模块对应的物理参数设置。

根据本发明进一步的实施例，所述模块化设计单元还设置所述各个部件模块的计算状态变量，所述计算状态变量用于标识对应的部件模块是否已被计算。其中在搭建所述光纤激光器脉冲整形系统图形操作界面时，所述模块化设计单元设置所述各个部件模块的计算状态变量为未被计算。

根据本发明再一步的实施例，还包括检测单元，所述检测单元用于检测所述各个部件模块是否可以被对应的物理模型计算内核进行计算和/或已被计算。当所述部件模块不包括输入端口或者包括的输入端口被占满且所述计算状态变量标识为未被计算时，所述检测单元检测所述部件模块可被计算。当所述部件模块包括输入端口并且所述输入端口未被占满时，所述检测单元检测所述部件模块不可被计算。

采用本发明的仿真装置和方法，可以有效的仿真光纤激光器脉冲整形系统。在搭建光纤激光器脉冲整形系统的初期，先通过本发明软件仿真来验证系统实验的可靠性和表现，方便及时的发现系统中隐藏的问题。本发明的光纤激光器脉冲整形系统的软件仿真就能对相关科技人员进行实际光纤激光器脉冲整形系统的实验调试工作起到了指导作用。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明光纤激光器脉冲整形系统的仿真装置方框图；

图2显示了本发明实施例的光纤激光器脉冲整形系统仿真图形操作界面；

图3为本发明光纤激光器脉冲整形系统的仿真方法流程图；

图4为本发明具体实施例的光纤激光器脉冲整形系统仿真界面；

图5为本发明具体实施例仿真得到的波形示意图；以及

图6为本发明具体实施例仿真得到的光谱示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

现在参考图1，图1为本发明光纤激光器脉冲整形系统的仿真装置方框图。

如图所示，本发明的仿真装置包括模块化设计单元12、图形界面搭建单元14、计算单元16和显示单元18。模块化设计单元12用来对光纤激光器脉冲整形系统的各个部件进行模块化设计，使得每个部件模块包括对应的物理参数设置和物理模型计算内核。

模块化设计单元12根据光纤激光器脉冲整形系统中各组件的要求设计出一系列模块化的器件。每个模块都有一定数目的输入端口和输出端口，一定数目的模块参数变量以及一个计算算法内核。每个模块的输入和输出端口分别处理数据的输入和输出，模块参数变量表征了该模块所涉及的物理参数设置，计算算法内核的主要功能是根据输入端口的数据和模块参数变量建立物理模型进行计算，并将结果输出到输出端口中。

另外，模块化设计单元12还设置所述各个部件模块的计算状态变量，计算状态变量用于标识对应的部件模块是否已被计算。在图形界面搭建单元14搭建光纤激光器脉冲整形系统图形操作界面时，模块化设计单元12将所述各个部件模块的计算状态变量均设置为“未被计算”。

在一个实施例中，本发明的仿真装置还可以包括检测单元(图中未显示)，检测单元用于检测上述各个部件模块是否可以被对应的物理模型计算内核进行计算和/或已被计算。当部件模块不包括输入端口或者包括的输入端口被占满且计算状态变量标识为未被计算时，检测单元检测部件模块可被计算。当部件模块包括输入端口并且输入端口未被占满时，检测单元检测所述部件模块不可被计算。

检测单元对所有未被计算的部件模块进行遍历，在遍历过程中首先检查该部件模块是否可以被计算，若是则先调用部件模块的物理模型计算内核进行计算。接着刷新端口数据，将当前部件模块每一输出端口的输出数据放入下一连接部件模块的输入端口，并刷新该部件模块的计算状态变量为“已被计算”；若否则跳至下一个部件模块，直到本轮执行过程中所有未被计算的部件模块都被遍历到。

图形界面搭建单元14结合各个部件模块搭建光纤激光器脉冲整形系统的图形操作界面，并通过人机交互实现对部件的选取，并通过连线搭建系统，调整各部件模块的参数。在一个实施例中，图形界面搭建单元14检查所搭建的系统中每个部件模块的输入端口是否都已有连线，否则给出“部件连接不完整，无法计算”的提示，并暂停流程等待用户处理。

图2给出了本发明实施例的激光器脉冲整形系统仿真图形操作界面示意图，如图所示，图形化操作界面分为主控区、器件栏和工作区三个部分。主控区主要定义了对系统及系统中各器件的操作，共10个按钮，依次为新建工程、载入工程、保存工程、关于、系统运行、撤消上一步操作、选择器件、操作器件、连线、取消连线。用户通过键盘和鼠标点击上述按钮，由图形界面搭建单元14完成对光纤激光器脉冲整形系统的搭建。器件栏显示了所有光纤激光器脉冲整形系统的器件列表，用户可以从该栏中点击器件并在工作区适当位置点击将该器件选用。工作区则显示了搭建的系统情况，并提供人机交互的平台。

计算单元16则根据选择各个部件模块对应的物理参数设置和物理模型，计算内核计算搭建的光纤激光器脉冲整形系统的整形脉冲输出；以及显示单元18用于在搭建的图形操作界面上显示计算单元16对应输出的整形脉冲的波形和/或光谱信息。

另外，图3显示了本发明光纤激光器脉冲整形系统的仿真方法流程图。如图所示，首先模块化设计光纤激光器脉冲整形系统的各个部件，使得每个部件模块包括对应的物理参数设置和物理模型计算内核(步骤102)。

然后，结合所述各个部件模块搭建光纤激光器脉冲整形系统的图形操作界面(步骤104)。根据所述各个部件模块对应的物理参数设置和物理模型计算内核计算所述搭建光纤激光器脉冲整形系统的整形脉冲输出(步骤106)。最后，在所述图形操作界面上显示所述整形脉冲输出的波形和/或光谱信息(步骤108)。

在步骤102中，可根据光纤激光器脉冲整形系统中各组件的要求设计出一系列模块化的器件。每个模块都有一定数目的输入端口和输出端口，一定数目的模块参数变量以及一个计算算法内核。每个模块的输入和输出端口分别处理数据的输入和输出，模块参数变量表征了该模块所涉及的物理参数设置，计算算法内核的主要功能是根据输入端口的数据和模块参数变量建立物理模型进行计算，并将结果输出到输出端口中。

另外，本发明的仿真方法还可以进一步设置各个部件模块的计算状态变量，计算状态变量用于标识对应的部件模块是否已被计算。在搭建光纤激光器脉冲整形系统图形操作界面时，将各个部件模块的计算状态变量均设置为“未被计算”。

在一个实施例中，本发明的仿真方法还可以包括检测步骤，以检测上述各个部件模块是否可以被对应的物理模型计算内核进行计算和/或已被计算。当部件模块不包括输入端口或者包括的输入端口被占满且计算状态变量标识为未被计算时，检测部件模块可被计算。当部件模块包括输入端口并且输入端口未被占满时，检测所述部件模块不可被计算。

在检测时所有未被计算的部件模块进行遍历，在遍历过程中首先检查该部件模块是否可以被计算，若是则先调用部件模块的物理模型计算内核进行计算。接着刷新端口数据，将当前部件模块每一输出端口的输出数据放入下一连接部件模块的输入端口，并刷新该部件模块的计算状态变量为“已被计算”；若否则跳至下一个部件模块，直到本轮执行过程中所有未被计算的部件模块都被遍历到。

在步骤104中，结合各个部件模块搭建光纤激光器脉冲整形系统的图形操作界面，并通过人机交互实现对部件的选取，并通过连线搭建系统，调整各部件模块的参数。在一个实施例中，搭建图形界面时检查所搭建的系统中每个部件模块的输入端口是否都已有连线，否则给出“部件连接不完整，无法计算”的提示，并暂停流程等待用户处理。

关于激光器脉冲整形系统仿真图形操作界面可以参考图2的实施例。

下面将参照图4的具体实施例对本发明的仿真技术进行详细说明，以便进一步地理解对本发明的目的和技术方案。但是，需要指出的是本发明不局限于该具体实施例。

如图4所示，构成光纤激光器脉冲整形系统的各个部件模块包括锁模激光器模块、脉冲堆积器模块、光纤放大器模块、光纤分束器模块、示波器模块和光谱仪模块。

其中，锁模激光器模块22的输出端与脉冲堆积器模块24块的输入端连接，光纤放大器模块26的输入端和输出端分别与脉冲堆积器模块24的输出端、光纤分束器模块28的输入端连接，光纤分束器模块28的输出端分别连接到示波器模块30和光谱仪模块32上。

在图2所示的器件栏中分别单击“锁模激光器”，“脉冲堆积器”，“光纤放大器”，“分束器”，“示波器”和“光谱仪”图标，并在工作区适当位置点击。工作区内依次在一个图标上单击左键并单击另一器件即在此两器件间建立连接。在系统区选定“取消连线”按钮，再执行上述操作即为取消连线。依照图4将各部件模块连接，建立得到一个光纤脉冲器脉冲整形系统。

锁模激光器模块22为系统的光源，设置其没有输入端口，具有1个输出端口，输出具有一定脉冲宽度、一定能量的高斯型光学脉冲。在一个实施例中，模块化设计锁模激光器模块22对应的物理参数设置，即参数变量为时间宽度T₀、中心频率v、峰值功率P₀、啁啾系数C和噪声功率P_N。并且设置锁模激光器模块22对应的物理模型计算内核以下公式(1)表示：

$U\left(t\right)=\sqrt{P_0+P_N}\exp [-\frac{t^2}{{{2T}_0}^2}(1+\mathrm{iC})]\exp [-2\mathrm{\πvt}]---\left(1\right)$

因此，根据锁模激光器模块22对应的物理模型计算内核及物理参数设置可以计算得到第一输出脉冲U(t)。

在一个实施例中，模块化设计脉冲堆积器模块24的物理参数设置包括分束路数量n、每路的幅度衰减α_j以及路间延迟τ_j，j＝1，2，...，n，具有一个输入端口和一个输出端口，并且脉冲堆积器模块22对应的物理模型计算内核通过以下公式(2)表示：

$E\left(t\right)=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{j}U(t-{\mathrm{\τ}}_j)---\left(2\right)$

因此，根据脉冲堆积器模块24对应的物理模型计算内核及物理参数设置对锁模激光器模块22输出的第一脉冲U(t)进行分束，并通过分别进行幅度衰减和路间延迟后再进行合，束输出整形脉冲，从而得到第二输出脉冲E(t)。

在一个实施例中，模块化设计光纤放大器模块26的物理参数设置包括功率阈值P_th、增益G、噪声因子N_sp、带宽B、中心频率v和普朗克常数h，具有一个输入端口和一个输出端口，并且对应的物理模型计算内核通过以下公式(3)表示：

P＝GP₀+(G-1)N_sphvB                   (3)

因此，根据光纤放大器模块26对应的物理模型计算内核及物理参数设置对第二输出脉冲的光功率P₀进行功率放大。

在一个实施例中，本发明还可以在第二输出脉冲的功率高于光纤放大器模块26功率阈值P_th时进行提示，从而在仿真的层面对实验的安全性进行指导，避免实际应用中高功率对器件造成永久损失的出现。

在一个实施例中，模块化设计光纤分束器模块28具有一个输入端口和两个输出端口，每个输出端口的信号和输入端口的信号相同。光纤分束器模块28用于对所输入的光信号进行分束，分束的光信号分别输入到示波器模块30和光谱仪模块32中。示波器模块30和光谱仪模块32分别用于检测脉冲的波形和光谱信息，均设计具有一个输入端口，没有输出端口。

根据搭建的光纤激光器脉冲整形系统，调整各个部件模块的参数。然后，在系统区单击“运行”按钮，即开始检查所搭建的系统中各部件模块的输入端口是否都已有连线，若没有则给出“器件连接不完整，无法计算”的提示，并暂停流程等待用户处理。

如上文所述，在搭建过程中，初始状态需将所搭建的系统中各部件模块的计算状态变量均设置成“未被计算”。

在一个实施例中，对于系统中每个部件模块均定义一个布尔型计算状态变量Iscalculated，在这一步中将每个部件模块的Iscalculated设置成false。

检查所搭建的系统中各部件模块(可以除去例如示波器模块和光谱仪模块的检测设备)的计算状态变量Iscalculated是否均为“已被计算”。若是则给出“计算结束”的提示；否则，对所有未被计算的部件模块进行遍历。

在遍历过程中首先检查该部件模块是否可以被计算，若是则调用部件模块的计算内核进行计算，并刷新该部件模块的计算状态变量为“已被计算”；若否则跳至下一个部件模块，直到本轮执行过程中所有未被计算的部件模块都被遍历到。

遍历顺序依次为锁模激光器模块、脉冲堆积器模块、光纤放大器模块、光纤分束器模块。

首先检查锁模激光器模块，发现锁模激光器模块无输入端口，可以被计算，则读入参数变量配置，调用公式(1)表示的锁模激光器模块的物理模型进行计算，并将结果放置到输出端口中，然后检查得出锁模激光器模块的输出端口连接到脉冲堆积器模块的输入端口，于是将脉冲堆积器模块的输入端口的数据更新为锁模激光器模块的输出数据。设置锁模激光器模块的计算状态变量Iscalculated为true。

接着检查脉冲堆积器模块，发现此时脉冲堆积器模块的输入端口有数据，并且计算状态变量Iscalculated为false，则调用公式(2)表示的脉冲堆积器模块的物理模型对其进行计算，将输出结果存入输出端口中，并将输出端口中的数据放入下一个部件模块光纤放大器模块的输入端口处，并设置计算状态变量Iscalculated为true。再用类似的方法遍历计算光纤放大器模块和光纤分束器模块。

最后再次依次检查锁模激光器模块、脉冲堆积器模块、光纤放大器模块、光纤分束器模块等部件模块的计算状态变量Iscalculated，发现均为true，则结束仿真过程。

检查完毕后，双击检测设备示波器模块和光谱仪模块的图标，查看信息，从而在图形操作界面上显示对应整形脉冲输出的波形和/或光谱信息。图5和图6给出了图4实施例的光纤激光器脉冲整形系统在各项参数给定的情况下得出的整形脉冲的波形和光谱信息。

采用本发明的仿真装置和方法，可以有效的仿真光纤激光器脉冲整形系统。并且用户可以灵活的定制和扩展所使用的器件参数，使用各种不同的各器件的参数(例如如时间延迟和幅度衰减)，相应地仿真出的整形脉冲效果也不同。一旦参数的设置使得脉冲功率过大，本发明可以给出相应的提示，从而可以给实际光纤激光器脉冲整形系统实验调试给出安全性指导，在实际操作时就可以避免采用这些参数。

另外，通过本发明的光纤激光器脉冲整形系统仿真，可以及时发现哪些参数的配置可以很好得到满足要求的整形脉冲，那么在实际实验中采用这些参数，成功的可能性就更高。

因此，在搭建光纤激光器脉冲整形系统的初期，先通过本发明软件仿真来验证系统实验的可靠性和表现，方便及时的发现系统中隐藏的问题。这样，本发明的光纤激光器脉冲整形系统的软件仿真就能对相关科技人员进行实际光纤激光器脉冲整形系统的实验调试工作起到了指导作用，以保证进一步实际实验的成功，具有实际应用意义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (22)

1.一种光纤激光器脉冲整形系统的仿真方法，其特征在于，所述仿真方法包括以下步骤：

模块化设计光纤激光器脉冲整形系统的各个部件，使得每个部件模块包括对应的物理参数设置和物理模型计算内核；

结合所述各个部件模块搭建光纤激光器脉冲整形系统的图形操作界面；

根据所述各个部件模块对应的物理参数设置和物理模型计算内核计算所述搭建光纤激光器脉冲整形系统的整形脉冲输出；以及

在所述图形操作界面上显示所述整形脉冲输出的波形和/或光谱信息。

2.如权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述各个部件模块包括锁模激光器模块、脉冲堆积器模块、光纤放大器模块、光纤分束器模块、示波器模块和光谱仪模块，所述锁模激光器模块的输出端与所述脉冲堆积器模块的输入端连接，所述光纤放大器模块的输入端和输出端分别与所述脉冲堆积器模块的输出端、所述光纤分束器模块的输入端连接，所述光纤分束器模块的输出端分别连接到所述示波器模块和所述光谱仪模块上。

3.如权利要求2所述的仿真方法，其特征在于，根据所述锁模激光器模块对应的物理模型计算内核及物理参数设置计算得到第一脉冲U(t)，所述物理模型计算内核通过以下公式表示：

$U\left(t\right)=\sqrt{P_0+P_N}\exp [-\frac{t^2}{2{T_0}^2}(1+\mathrm{iC})]\exp [-2\mathrm{\πvt}]$

其中，时间宽度T₀、中心频率v、峰值功率P₀、啁啾系数C和噪声功率P_N为所述锁模激光器模块对应的物理参数设置。

4.如权利要求3所述的仿真方法，其特征在于，根据所述脉冲堆积器模块对应的物理模型计算内核及物理参数设置对所述第一脉冲U(t)进行处理得到第二脉冲E(t)，所述物理模型计算内核通过以下公式表示：

$E\left(t\right)=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{j}U(t-{\mathrm{\τ}}_j)$

其中，分束路数量n、每路的幅度衰减α_j以及路间延迟τ_j为所述脉冲堆积器模块对应的物理参数设置，j＝1，2，...，n。

5.如权利要求4所述的仿真方法，其特征在于，根据所述光纤放大器模块对应的物理模型计算内核及物理参数设置对所述第二脉冲的光功率P₀进行放大，所述物理模型计算内核通过以下公式表示：

P＝GP₀+(G-1)N_sphvB

其中，功率阈值P_th、增益G、噪声因子N_sp、带宽B、中心频率v和普朗克常数h为所述光纤放大器模块对应的物理参数设置。

6.如权利要求5所述的仿真方法，其特征在于，还包括在所述第二脉冲的功率高于功率阈值P_th时进行提示的步骤。

7.如权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，还包括设置所述各个部件模块的计算状态变量的步骤，所述计算状态变量用于标识对应的部件模块是否已被计算。

8.如权利要求7所述的仿真方法，其特征在于，还包括检测所述各个部件模块是否可以被对应的物理模型计算内核进行计算和/或已被计算的步骤。

9.如权利要求8所述的仿真方法，其特征在于，当所述部件模块不包括输入端口或者包括的输入端口被占满且所述计算状态变量标识为未被计算时，检测所述部件模块可被计算。

10.如权利要求8所述的仿真方法，其特征在于，当所述部件模块包括输入端口并且所述输入端口未被占满时，检测所述部件模块不可被计算。

11.如权利要求7所述的仿真方法，其特征在于，在搭建所述光纤激光器脉冲整形系统图形操作界面时，设置所述各个部件模块的计算状态变量为未被计算。

12.一种光纤激光器脉冲整形系统的仿真装置，其特征在于，所述仿真装置包括：

模块化设计单元，所述模块化设计单元对光纤激光器脉冲整形系统的各个部件进行模块化设计，使得每个部件模块包括对应的物理参数设置和物理模型计算内核；

图形界面搭建单元，所述图形界面搭建单元结合所述各个部件模块搭建光纤激光器脉冲整形系统的图形操作界面；

计算单元，所述计算单元根据所述各个部件模块对应的物理参数设置和物理模型计算内核计算所述搭建光纤激光器脉冲整形系统的整形脉冲输出；以及

显示单元，用于在所述图形操作界面上显示所述整形脉冲输出的波形和/或光谱信息。

13.如权利要求12所述的仿真装置，其特征在于，所述各个部件模块包括锁模激光器模块、脉冲堆积器模块、光纤放大器模块、光纤分束器模块、示波器模块和光谱仪模块，所述锁模激光器模块的输出端与所述脉冲堆积器模块的输入端连接，所述光纤放大器模块的输入端和输出端分别与所述脉冲堆积器模块的输出端、所述光纤分束器模块的输入端连接，所述光纤分束器模块的输出端分别连接到所述示波器模块和所述光谱仪模块上。

14.如权利要求13所述的仿真装置，其特征在于，所述计算单元利用所述锁模激光器模块对应的物理模型计算内核和所述物理参数设置计算得到第一脉冲U(t)，所述物理模型计算内核通过以下公式表示：

$U\left(t\right)=\sqrt{P_0+P_N}\exp [-\frac{t^2}{2{T_0}^2}(1+\mathrm{iC})]\exp [-2\mathrm{\πvt}]$

其中，时间宽度T₀、中心频率v、峰值功率P₀、啁啾系数C和噪声功率P_N为所述锁模激光器模块对应的物理参数设置。

15.如权利要求14所述的仿真装置，其特征在于，所述计算单元利用所述脉冲堆积器模块对应的物理模型计算内核及物理参数设置对所述第一脉冲U(t)进行处理得到第二脉冲E(t)，所述物理模型计算内核通过以下公式表示：

$E\left(t\right)=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{j}U(t-{\mathrm{\τ}}_j)$

其中，分束路数量n、每路的幅度衰减α_j以及路间延迟τ_j为所述脉冲堆积器模块对应的物理参数设置，j＝1，2，...，n。

16.如权利要求15所述的仿真装置，其特征在于，所述计算单元利用所述光纤放大器模块对应的物理模型计算内核及物理参数设置对所述第二脉冲的光功率P₀进行放大，所述物理模型计算内核通过以下公式表示：

P＝GP₀+(G-1)N_sphvB

其中，功率阈值P_th、增益G、噪声因子N_sp、带宽B、中心频率v和普朗克常数h为所述光纤放大器模块对应的物理参数设置。

17.如权利要求16所述的仿真装置，其特征在于，还包括提示单元，用于在所述第二脉冲的功率高于功率阈值P_th时进行提示。

18.如权利要求12所述的仿真装置，其特征在于，所述模块化设计单元还设置所述各个部件模块的计算状态变量，所述计算状态变量用于标识对应的部件模块是否已被计算。

19.如权利要求18所述的仿真装置，其特征在于，还包括检测单元，所述检测单元用于检测所述各个部件模块是否可以被对应的物理模型计算内核进行计算和/或已被计算。

20.如权利要求19所述的仿真装置，其特征在于，当所述部件模块不包括输入端口或者包括的输入端口被占满且所述计算状态变量标识为未被计算时，所述检测单元检测所述部件模块可被计算。

21.如权利要求19所述的仿真装置，其特征在于，当所述部件模块包括输入端口并且所述输入端口未被占满时，所述检测单元检测所述部件模块不可被计算。

22.如权利要求18所述的仿真装置，其特征在于，在搭建所述光纤激光器脉冲整形系统图形操作界面时，所述模块化设计单元设置所述各个部件模块的计算状态变量为未被计算。

Images