模型描述
J
00%,Ju_ 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。
e5bRi0 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:
f -N: QfuKpcT & dr := 0.05 um
-0 [^w defarray I[0, 200 um, dr]
AR i_ m n_f_nl(r) := n_f(r) + n2 * (if r <= r_max then I~[r])
}xx[=t=nUf { nonlinear refractive index profile }
9Z,vpTE store_I(P) :=
#:{Bd8PS for r := 0 to 2 * r_co step dr do
p m+_s]s, I[r] := P * I_lm(0, 1, lambda, r)
b]v.jgD { ignore index changes outside 2 * r_co, where the intensity is small }
}|rnyYA
o *2TH2 CalcNonlinearMode(P) :=
}JXAG/<
{ Calculate the lowest-order mode with self-focusing for the power P. }
Vd 2bG4 *= begin
~yH<,e var A, A_l;
[:x^ ffs A := 0;
sT" U} repeat
'k=GS b A_l := A;
+'9l 2DI; store_I(P);
H mt} @ set_n_profile("n_f_nl", r_max);
:yN;_bC!b% A := A_eff_lm(0, 1, lambda);
Y_3 {\g|x until abs(A_l / A - 1) < 1e-6;
Bb^CukS: end
Xqt3 p6 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:
SomA`y+ERn x_max := 30 um { maximum x or y value }
^ YddVp N := 2^5 { number of grid points in x and y direction }
Y27x;U dx := 2 * x_max / N { transverse resolution }
a"^0 ;a z_max := 30 mm { fiber length }
1$Rua dz := 100 um { longitudinal resolution }
D2 o,K&V N_z := z_max / dz { number of z steps }
1ID0 'j$ N_s := 100 { number of sub-steps per dz step }
$;1#gq% Zgt:ZO P_11 := 4 MW
/; ;_l2 t A0%(x, y) := sqrt(P_11) * A_lm_xy(1, 1, lambda, x, y) { initial field }
?{W@TY@S @^8tk3$ Y calc
lwEJ)Bv begin
eMk?#&a) bp_set_grid(x_max, N, x_max, N, z_max, N_z, N_s);
0xbx2jlkY bp_define_channel(lambda);
Fp>iwdjFg bp_set_n('n_f(sqrt(x^2 + y^2))'); { index profile }
`mTpL ^f bp_set_loss('10e2 * ((x^2 + y^2) / (20 um)^2)^3'); { simulate loss for cladding modes }
Q}GsCmt=)O bp_set_n2('n2');
fZK&h. bp_set_A0('A0%(x, y)'); { initial amplitude }
}D_h*9 bp_set_interpol(2); { quadratic interpolation }
413,O~^ end[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]
PtySPDClj ~Zb r7zVn {&,9Zy]"S 结果
iR;Sd >) 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。
& kKopJH 
5z8CUDt
0 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。 :_;9&[H9ha
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。 ^vXMX ^* 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
]J;pUH+u 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。
" >vxYi 图3：光纤中的最大光功率与纤芯半径的函数关系
+}H2 |vP 最初，最大功率随核心区而变化。
{ndL] c'v 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。
zPWX%1Qr 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：
?N 2/;u> 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
~kUdHne ( 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
_= 9o:F 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。
