RP DisCav – Design und Optimierung von Laserresonatoren
RP DisCav ist eine leistungsfähige Software für die Berechnung und Optimierung optischer Resonatoren, insbesondere von Laserresonatoren. Es wurde entwickelt von Dr. Rüdiger Paschotta. Bis auf weiteres ist diese Software nicht verkäuflich, aber sie erlaubt RP Photonics, für ihre Kunden vielfältige Berechnungen und Optimierungen im Rahmen von Consulting-Projekten durchzuführen, und dies mit recht geringem Zeitaufwand. Dr. Paschotta verfügt über große Erfahrung im Resonatordesign.
Wichtigste Merkmale
- RP DisCav kann eine weite Spanne von Eigenschaften von Resonatoren berechnen, beispielsweise den Verlauf der Strahlradien, die Empfindlichkeit der Resonatormoden auf thermische Linsen und Dejustierung, Dispersion von geometrischen Effekten, etc.
- Das Programm erlaubt ebenfalls umfangreiche Optimierungen. Es lässt sich ein "figure of merit" beliebiger Art definieren, und das Programm verwendet ausgefeilte Algorithmen, um den figure of merit durch Variation von Parametern eines Resonators zu minimieren. Bei Bedarf können beliebige Randbedingungen berücksichtigt werden, etwa gewisse Symmetrien, Grenzwerte für die Differenz bestimmter Größen, etc.
- Das Programm kann den resultierenden Resonatoraufbau maßstabsgerecht zeichnen und praktisch beliebige Graphen erstellen, um alle Resonatoreigenschaften zu visualisieren.
Beispiele für grafische Ausgaben
Die folgenden Grafiken wurden alle mit RP DisCav erstellt und demonstrieren einige seiner Möglichkeiten. Sie beziehen sich alle auf das Beispiel eines Femtosekunden-Ti:Saphir-Lasers mit einem Prismenpaar für die Dispersionskompensation und einem SESAM für passives Modenkoppeln. Die Software ist sehr flexibel und erlaubt es, frei neue Graphen verschiedener Art zu definieren; die gezeigten Beispiele stellen nicht etwa eine feste Auswahl dar.
Das erste Bild zeigt den Resonatoraufbau. Der Ti:Saphir-Kristall liegt zwischen den beiden Spiegeln mit Krümmungsradien R1 und R2. Solche Diagramme ermöglichen eine einfache Prüfung der Korrektheit des eingegebenen Resonatoraufbaus und seiner Parameter.
Das nächste Diagramm zeigt die Entwicklung der Modengrößen in tangentialer (rot) und sagittaler (blau) Richtung. Der Strahl ist kollimiert auf der linken Seite (der des Auskoppelspiegels) und zeigt zwei Ausschläge an den Positionen der Prismen. Er geht dann durch einen scharfen Fokus im Ti:Saphir-Kristall und wird danach nochmals fokussiert auf den SSEAM auf der rechten Seite.
Nun betrachten wir die Abhängigkeit der Strahlradien von der Länge e, der Distanz zwischen dem Spiegel mit Radius R1 und dem Ti:Saphir-Kristall. (Der bisher angenommene Wert ist e = 3.31 cm.) Die gestrichelte Kurve zeigt die horizontale Verschiebung des Strahls im Laserkristall, die durch eine Verkippung des Auskoppelspiegels um 0.1 mrad verursacht würde. Man erkennt, dass der Resonator für e in der Nähe von 3.35 cm sehr empfindlich auf Dejustierung reagieren würde. Dieser Effekt tritt in der zweiten Stabilitätszone (e = 3.46 cm bis 3.55 cm) nicht auf.
Schließlich untersuchen wir den Einfluss der Stärke der thermischen Linse im Laserkristall auf die Modenradien. Eine schwache thermische Linse würde die Modengröße am Auskoppler leicht erhöhen und die Modengrößen im Laserkristall und auf dem SESAM leicht reduzieren. Die Kerr-Linse reduziert ebenfalls die Modengröße im Laserkristall, aber der Effekt ist zu schwach für Kerr lens mode locking. Der Stabilitätsbereich müsste dafür nach rechts verschoben werden. (Die entsprechende Optimierung wäre mit RP DisCav natürlich ebenfalls möglich.)
