用于光纤放大器研究的全矢量麦克斯韦模型的建模与计算进展
数值分析
2021-02-02 v2 数值分析
计算物理
光学
摘要
我们针对一种独特的三维间断 Petrov-Galerkin 有限元模型，提出了用于模拟光纤放大器中激光放大的建模与计算两方面进展。我们的模型基于时谐麦克斯韦方程，并通过与热方程耦合，同时考虑了活性掺杂剂引起的放大效应与热效应。作为一种全矢量有限元模拟，该模型区别于其他通常表述为初值问题且做出显著更多近似的光纤放大器模型。我们的模型支持同向、反向及双向泵浦配置，以及非均匀和各向异性材料属性。该建模工作的长期目标是研究阻碍光纤放大器达到前所未有的功率水平的非线性现象，并验证低保真度模型中使用的典型近似。高保真模拟的代价是需要每波长大量自由度的高阶有限元离散化，这对于抵消由于波动模拟高频特性引起的数值污染效应是必要的。为使计算更为可行，我们开发了一种新颖的纵向模型重标度方法，使用人工材料参数以保留某些感兴趣的量。我们的数值测试证明了该缩放模型在经历激光放大与发热的掺镱阶跃折射率光纤放大器模拟中的适用性与效用。我们给出了非线性耦合麦克斯韦/热模型多达 240 个波长的数值结果。
引用
@article{arxiv.1912.01185,
title = {Model and computational advancements to full vectorial Maxwell model for studying fiber amplifiers},
author = {Stefan Henneking and Jacob Grosek and Leszek Demkowicz},
journal= {arXiv preprint arXiv:1912.01185},
year = {2021}
}