模型描述
,k% \f]a 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。
\FVm_) 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:
cQ:Y@f 9 #g)$m}tv? dr := 0.05 um
< 0S+[7S" defarray I[0, 200 um, dr]
PQ}q5?N n_f_nl(r) := n_f(r) + n2 * (if r <= r_max then I~[r])
b{:c0 z< { nonlinear refractive index profile }
UG)XA-ez store_I(P) :=
f T7Z6$ for r := 0 to 2 * r_co step dr do
8H0d4~Wg I[r] := P * I_lm(0, 1, lambda, r)
^]iIvIp { ignore index changes outside 2 * r_co, where the intensity is small }
e1*<9&S H
l'za CalcNonlinearMode(P) :=
0RaE!4)!; { Calculate the lowest-order mode with self-focusing for the power P. }
~
NO9s begin
IU
f1N+-z var A, A_l;
?]JTr v"zp A := 0;
v% mAU3M repeat
]{tnNr>mv A_l := A;
Vl91I+Ev store_I(P);
z(-j%? set_n_profile("n_f_nl", r_max);
xG802?2i/; A := A_eff_lm(0, 1, lambda);
$UgQ1Qc until abs(A_l / A - 1) < 1e-6;
?Hb5<,1u3 end
T]&%
KQ 考虑到光纤的非线性，可以对
光束的传播进行数值
模拟。为此，我们需要定义一个数值网格，并为光束传播设置各种其他输入:
)3W`>7> x_max := 30 um { maximum x or y value }
/ h/f&3'h N := 2^5 { number of grid points in x and y direction }
3['aK|qk. dx := 2 * x_max / N { transverse resolution }
-2)6QKh~D z_max := 30 mm { fiber length }
H9 d! -9I dz := 100 um { longitudinal resolution }
O<A$,<6 7 N_z := z_max / dz { number of z steps }
(A\X+S( N_s := 100 { number of sub-steps per dz step }
;0)|c}n+.5 }|MP Qy P_11 := 4 MW
x1g0_&F A0%(x, y) := sqrt(P_11) * A_lm_xy(1, 1, lambda, x, y) { initial field }
)qg cz<p?W sTn}:A 6 calc
<=]wh |D begin
s~A#B)wB bp_set_grid(x_max, N, x_max, N, z_max, N_z, N_s);
--( e(tvf bp_define_channel(lambda);
ck= x_HB1 bp_set_n('n_f(sqrt(x^2 + y^2))'); { index profile }
^/K]id7 2 bp_set_loss('10e2 * ((x^2 + y^2) / (20 um)^2)^3'); { simulate loss for cladding modes }
F XpI-?#E< bp_set_n2('n2');
i)vbmV bp_set_A0('A0%(x, y)'); { initial amplitude }
xJ/<G$LNJ0 bp_set_interpol(2); { quadratic interpolation }
r&^xg`i[z> end[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]
=}b DT2Nb "OIra 2O pZpAb+ 结果
4
_*^~w 图1显示了光
功率为 5mW (与灾难性自聚焦功率相差不远)的模式分布，以及相应的折射率。
,BUDo9h 9 -Y.8:A`
图1：计算了有自聚焦和无自聚焦时的归一化模式强度分布
此外，还显示了折射率分布。可以看到，折射率分布基本上被非线性效应修改了。 O
WJv<3
图2显示了作为光功率的函数的模式面积。当接近临界功率时，模式面积急剧缩小。 D)XV{Wit 图2：模式面积与光功率的关系，红线表示灾难性自聚焦的临界功率
!=C74$TH
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。
PrA?e{B5m 图3：光纤中的最大光功率与纤芯半径的函数关系
[8- . T4 最初，最大功率随核心区而变化。
]W c:9Zb 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。
#FAy
]7/O 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：
x WZ87 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
{P/5cw 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
9 n(.v} 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。
