模型描述
~py0Vx,F 这里，我们研究
光纤中非线性自聚焦的细节。首先，我们计算了由于非线性自聚焦的影响，大模面积光纤的基模如何收缩。
kB #vh 模式解算器实际上忽略了非线性效应。然而，只需几行脚本代码，我们就可以存储包括其非线性变化在内的
折射率分布，然后重新计算光纤模式。重复这一过程，直到我们得到一个自洽的解:
:g#it@
Xf9%A2 iB dr := 0.05 um
79H +~1Az defarray I[0, 200 um, dr]
=fK'Ep[ n_f_nl(r) := n_f(r) + n2 * (if r <= r_max then I~[r])
u V7Hsg9l { nonlinear refractive index profile }
<|3v@ store_I(P) :=
y#;VGf6lj for r := 0 to 2 * r_co step dr do
X388Gs; e I[r] := P * I_lm(0, 1, lambda, r)
F
t/
x 5 { ignore index changes outside 2 * r_co, where the intensity is small }
yMl'1 W u 7Y < ~ CalcNonlinearMode(P) :=
:iB%JY Ad { Calculate the lowest-order mode with self-focusing for the power P. }
/? 1Yf begin
lFGxW 5 var A, A_l;
o~_>p/7; A := 0;
e uHu} repeat
Pl& `&N; A_l := A;
zy6(S_j store_I(P);
#aY<J: Nx set_n_profile("n_f_nl", r_max);
xWz;5=7a] A := A_eff_lm(0, 1, lambda);
$1zeY6 O until abs(A_l / A - 1) < 1e-6;
m_02"' end
oEoJa:h 考虑到光纤的非线性，可以对
光束的传播进行数值
模拟。为此，我们需要定义一个数值网格，并为光束传播设置各种其他输入:
[j]J_S9jJ x_max := 30 um { maximum x or y value }
&9w%n N := 2^5 { number of grid points in x and y direction }
m4SXH> o dx := 2 * x_max / N { transverse resolution }
\*!%YTZ~ z_max := 30 mm { fiber length }
qL5#.bR dz := 100 um { longitudinal resolution }
U"y'Kd N_z := z_max / dz { number of z steps }
\.;ct N_s := 100 { number of sub-steps per dz step }
Z F yX@#B9 #C;zS9(]B P_11 := 4 MW
pebx#} ]p- A0%(x, y) := sqrt(P_11) * A_lm_xy(1, 1, lambda, x, y) { initial field }
!QR?\9` pY!dG-; calc
u~- fK'/!| begin
Ik-E4pxKo bp_set_grid(x_max, N, x_max, N, z_max, N_z, N_s);
r>:L$_]L bp_define_channel(lambda);
xe gL! bp_set_n('n_f(sqrt(x^2 + y^2))'); { index profile }
R(? <97 bp_set_loss('10e2 * ((x^2 + y^2) / (20 um)^2)^3'); { simulate loss for cladding modes }
J={OOj bp_set_n2('n2');
SeNF!k% Y bp_set_A0('A0%(x, y)'); { initial amplitude }
Dj
]Hgg bp_set_interpol(2); { quadratic interpolation }
Q_]!an ( end[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]
&. =}g] ]Z$TzT&@% o(d_uJOB 结果
b y|?g8 图1显示了光
功率为 5mW (与灾难性自聚焦功率相差不远)的模式分布，以及相应的折射率。
N[bR &# p 2c"N-c&A
图1：计算了有自聚焦和无自聚焦时的归一化模式强度分布
此外，还显示了折射率分布。可以看到，折射率分布基本上被非线性效应修改了。 I*:qGr+ WJ
图2显示了作为光功率的函数的模式面积。当接近临界功率时，模式面积急剧缩小。 ZO%fS'n 图2：模式面积与光功率的关系，红线表示灾难性自聚焦的临界功率
wj#J>C2] 图3显示了作为核心半径的函数的最大功率。对于每个核心半径，必须计算轴上强度达到损伤阈值时的光功率。当然，需要为每个功率值重新计算模式。
qJ X+[PJ 图3：光纤中的最大光功率与纤芯半径的函数关系
Wd^lt7(j 最初，最大功率随核心区而变化。
u 5 Eo 然而，对于较大的核心，上升变得相当慢，因为模式面积通过自聚焦而减小。
@[5_C ?2 现在，我们研究如果我们将光注入到光纤的 LP11 模(第一高阶模式)中，会发生什么情况，这是在没有非线性的情况下计算的。为此，我们可以使用数值光束传输。图4显示了如果我们注入 4mW 的光功率，不远低于自聚焦的临界功率的结果。在这里，高阶模式变得不稳定。即使是最微小的不对称(这里是由于微小的数值误差引起的)，也会导致该模式在大约 10mm 的传播距离之后转变为 LP01 模式和 LP11 模式的叠加：
|B%BwE 图4：计算了 LP11 模在x-z平面的振幅分布，计算时不考虑非线性
jiwpDB& [ 我们还可以展示导模中光功率的演化：
图5：LP11 和 LP01 模式下的光功率演化
(0OSGG9 总功率经历了一些振荡，这似乎令人惊讶：即使我们只有一些损耗(对于包层模式)，如何在某些位置增加功率？可以将其理解为通过光纤的非线性实现包层模式的能量交换。还要注意的是，非线性相互作用将光耦合到包层模式，这在低光功率下不会发生。
