RP ProPulse – Simulation und Modellierung der Ausbreitung ultrakurzer Pulse
RP ProPulse ist ein mächtiges Werkzeug zur Simulation der Propagation ultrakurzer Laserpulse in verschiedenen Situationen, insbesondere
- in den Resonatoren aktiv oder passiv modengekoppelter Laser
- in synchron gepumpten parametrischen Oszillatoren
- in optischen Fasern
Diese Software wurde entwickelt von Dr. Rüdiger Paschotta. Bis auf weiteres wird diese Software nicht verkauft, aber sie erlaubt RP Photonics, für ihre Kunden vielfältige Arten von Simulationen im Rahmen von Consulting-Projekten durchzuführen, und dies mit recht geringem Zeitaufwand. Dr. Paschotta hat eine sehr detaillierte Erfahrung mit der Physik und Mathematik der Pulserzeugung und -propagation, insbesondere im Zusammenhang mit verschiedenen Typen modengekoppelter Laser, dispersiven und nichtlinearen Effekten, Modellierung von Pulspropagation, etc.
Wichtigste Merkmale
- RP ProPulse kann eine große Anzahl von Effekten berücksichtigen, die Pulse bei der Ausbreitung modifizieren: wellenlängenabhängige lineare Verluste, sättigbare Verluste (in schnellen oder langsamen Absorbern), Zweiphotonenabsorption, Amplituden- oder Phasenmodulation in einem Modulator mit beliebiger Ansteuerung, Laserverstärkung (mit verschiedenen Sättigungs-Charakteristika), parametrische Verstärkung, Frequenzverdopplung, Dispersion beliebiger Ordnungen, Selbstphasenmodulation, Ramanstreuung, self-steepening, Vierwellenmischung, Rauscheffekte (z. B. spontane Emission in Verstärkern) sowie dispersive Kompression (mit automatischer Optimierung).
- Das Programm benutzt ausgefeilte Algorithmen für die Pulspropagation in Fasern, einschließlich der symmetrisierten Split-Step-Methode und der Pseudospektral-Methode. Eine automatische Schrittweitensteuerung ist ebenfalls möglich.
- Es gibt einfache und flexible Optionen für die Definition z. B. der optischen Komponenten in einem Laserresonator. Dies erlaubt z. B. schnell den Einfluss der Reihenfolge verschiedener Komponenten zu testen.
- Es gibt ebenfalls flexible Optionen für detaillierte Spezifikationen, z. B. den Import von Dispersionsprofilen oder Daten der Pulse, mit denen die Simulationen beginnen, aus Dateien.
- Es ist möglich, die simulierten Daten z. B. statistisch auszuwerten, um die Rauscheigenschaften der erzeugten Pulse zu ermitteln.
- Die interaktive Bedieneroberfläche erlaubt alle Arten von Pulseigenschaften anzuzeigen für verschiedene Positionen im Laserresonator und eine einstellbare Anzahl von Umläufen im Resonator.
- Praktisch beliebige Arten von Plots können erzeugt werden, um die Ergebnisse in einer klaren Weise zu visualisieren.
Mögliche Anwendungen von RP ProPulse
- Simulation der Pulsentwicklung in einem modengekoppelten Laser, um z. B. die Abhängigkeit der im stationären Zustand entstehenden Pulse von verschiedenen Parametern zu testen oder verschiedene Arten von Instabilitäten zu untersuchen.
- Simulation dispersiver oder solitonartiger Propagation in einer Faserstrecke, einschließlich der Untersuchung von Rauscheigenschaften.
- Untersuchung der Pulskompression oder der Erzeugung von Superkontinua in photonic crystal fibers, einschließlich Dispersion hoher Ordnungen, Kerr- und Raman-Nichtlinearität mit self-steepening, Vierwellenmischung, Quantenrauschen etc.
Weil RP ProPulse extrem flexibel und praktisch ist, erlaubt es RP Photonics, beispielsweise erste Resultate zur Erzeugung von Superkontinua innerhalb eines einzigen Arbeitstages zu liefern.
Beispiele für grafische Ausgaben
Die folgenden Grafiken wurden alle mit RP ProPulse erstellt und demonstrieren einige seiner Möglichkeiten.
Das erste Diagramm zeigt die zeitliche Entwicklung eines Solitons dritter Ordnung. Ein animiertes GIF-File wurde direkt mit RP ProPulse (ohne Benutzung zusätzlicher Software) erstellt.
Eine andere Art, diese Entwicklung zu illustrieren, benutzt das folgende Diagramm, in dem die Farbe an jedem Punkt, entsprechend einer bestimmten Zeit (horizontale Achse) und Distanz (vertikale Achse), aus der entsprechenden optischen Intensität berechnet wurde. Die Solitonenperiode ist 50.4 m, d. h. der angezeigte Bereich entspricht etwa zwei Solitonenperioden.
Auf analoge Weise zeigt das folgende Diagramm die spektrale Entwicklung.
RP ProPulse hat auch eine interaktive Anzeige für die zeitliche und spektrale Domäne. Das folgende Beispiel zeigt ein Soliton 3. Ordnung an einem Punkt in der Faser.
RP ProPulse kann ebenfalls Spektrogramme verschiedener Art anzeigen. Im foglenden Beispiel propagieren intensive gechirpte Pikosekundenpulse bei 1064 nm (282 THz) in einer Faser, und hierbei wird ein Superkontinuum erzeugt. Bei niedrigen Frequenzen, wo die Faserdispersion anomal ist, lassen sich mehrere Solitonen erkennen, die mit hochfrequenten Komponenten wechselwirken, welche die gleiche Gruppengeschwindigkeit besitzen. Hohe und niedrige Frequenzen sind gegenüber mittleren Frequenzen verzögert wegen der Dispersion der Faser. Die zeitlichen Ausläufer der ursprünglichen Pulse haben für die gegebene Faserlänge noch nicht stark gewechselwirkt, deswegen die schmale Struktur bei 282 THz.
