RP Photonics logo
RP Photonics
Modellierungs-Software
Technische Beratung zu Lasern, nichtlineare Optik, Faseroptik etc.
profitieren Sie vom Wissen und der Erfahrung eines Top-Experten!
Leistungsfähige Simulations- und Design-Software.
Nutzen Sie Computermodelle, um Ihre Laser umfassend zu verstehen!
Erfolg resultiert aus Verständnis – in der Wissenschaft wie in der industriellen Entwicklung.
Die berühmte Encyclopedia of Laser Physics and Technology – online kostenlos verfügbar!
Der ideale Ort, um Anbieter für Photonik-Produkte zu finden.
Anbieter: stellen Sie sicher, dass Ihre Produkte hier gezeigt werden!
für die effiziente Laserentwicklung und Forschung
Diese Seite gibt Ihnen einen Überblick über unsere Softwareprodukte.
RP Fiber Calculator ist ein praktisches Tool für Berechnungen zu optischen Fasern.
RP Fiber Power ist ein extrem flexibles Tool für das Design und die Optimierung für Faserlasern, Verstärkern und auch passiven Fasern.
RP Resonator ist ein besonders flexibles Tool für die Entwicklung von Laserresonatoren.
RP ProPulse kann die Pulsausbreitung in modengekoppelten Lasern und synchron gepumpten OPOs simulieren.
RP Coating ist ein besonders flexibles Designwerkzeug für dielektrische Vielschichtsysteme.
RP Q-switch kann die Entwicklung optischer Leistungen in gütegeschalteten Lasern simulieren.
Die meisten unserer Softwareprodukte bieten eine leistungsfähige Skriptsprache, die Ihnen ein ungewöhnliches Maß von Flexibilität gibt.
Hier erfahren Sie über die Software Lizenzbedingungen, Updates und Upgrades etc.
Kompetente technische Unterstützung ist eine der Schlüsselqualitäten der Software von RP Photonics.
RP Photonics hat Distributoren in verschiedenen Ländern.
Die RP Photonics Software News informieren Sie über aktuelle Entwicklungen und geben den Nutzern interessante Hinweise.
Hier können Sie Anfragen absenden, z. B. betreffend technische Details, Preise und Angebote.
en | de

RP Fiber Power: Simulations- und Design-Software
für Faseroptik, Faserverstärker und Faserlaser

Beispiel: Pumpabsorption in einer Doppelkernfaser

Hier zeigen wir, wie RP Fiber Power für die Analyse und die Optimierung der Designs von Doppelkernfasern eingesetzt werden kann. Da diese einige komplizierte Details mit sich bringt, ist die hohe Flexibilität von RP Fiber Power für diese Aufgabe essenziell.

Beschreibung des Modells

Wir betrachten eine Doppelkernfaser, wie sie für Hochleistungs-Faserverstärker und -laser eingesetzt werden kann. Es ist bekannt, dass die Absorption von Pumplicht stark reduziert werden kann dadurch, dass etliche der Moden des Pump-Kerns einen geringen Überlapp mit dem dotierten Faserkern haben. Dies untersuchen wir hier näher.

Beachten Sie, dass ein auf Moden basierter Ansatz für diese Analyse wenig geeignet wäre. Zunächst einmal kann ein Pump-Kern wegen seiner Größe und seiner hohen numerischen Apertur sehr viel Moden haben. Hinzu kommt, dass seine Symmetrie oft reduziert wird, um die Pumpabsorption zu verbessern. Ein mode solver, der in dieser Situation gut arbeitet, wäre sehr schwierig zu entwickeln, und er bräuchte sehr viel Rechenzeit.

Die numerische Propagation is deswegen ein praktikablerer Ansatz. Auch dies ist jedoch nicht trivial:

Für eine realistische Simulation benötigen wir zunächst einen Pumpstrahl, der ziemlich inkohärent ist, aber doch noch ausreichend kohärent für eine hohe Effizienz der Einkopplung. In unserem Beispiel konstruieren wir diesen wie folgt:

Die Operationen benötigen einigen Skriptcode:

defarray A0%[0, (N - 1) * dr, dr; 0, (N - 1) * dr, dr] (periodic)
defarray A0_f%[0, (N - 1) * dr, dr; 0, (N - 1) * dr, dr] (periodic)
w0 := 15 um { beam size parameter }
sg(x2) := exp(-x2^4)  { normalized super-Gaussian function }
calc
  begin
    { Calculate the initial beam profile: low spatial coherence,
      but high enough for efficient launching}
    var f_max, f_m;
    { First step: totally random amplitudes within the cladding }
    for x := -r_max to +r_max step dr do
      for y := -r_max to +r_max step dr do
         A0%[x, y] := if x^2 + y^2 < r_cl^2 and y < y_cut then
           rnd(-1) + i * rnd(-1);
    { Filter out higher spatial frequency components }
    FFT_n(A0%[], A0_f%[], +1);
    df := 1 / (2 * r_max);
    f_max := 0.5 * N * df;
    f_m := NA_cl / lambda; { maximum allowed spatial frequency }
    for fx := -f_max to +f_max step df do
      for fy := -f_max to +f_max step df do
        A0_f%[fx, fy] := sg((fx^2 + fy^2) / f_m^2) * A0_f%[fx, fy];
    FFT_n(A0_f%[], A0%[], -1);
    for x := -r_max to +r_max step dr do
      for y := -r_max to +r_max step dr do
        A0%[x, y] := sg((x^2 + y^2) / r_cl^2) * (y < y_cut) * A0%[x, y];
  end
A0%(x, y) := A0%[x, y]

Das numerische Gitter wird etwas größer gewählt als der Pumpkern. Wir führen eine künstliche Absorption außerhalb des Pumpkerns ein, um die Verluste dieser Region zu simulieren, die normalerweise an der äußeren Grenzfläche auftreten würden.

Die numerische Auflösung muss relativ hoch sein, weil der Pumpkern ein hohe numerische Apertur (0,4) hat. Wir verwenden eine transversale Auflösung von 0,47 μm und eine longitudinale Auflösng von 3,3 μm.

Ergebnisse

Anfangs nehmen wir einen runden Pumpkern mit zentriertem innerem Faserkern an. Die Absorption im inneren Kern setzen wir auf 100 dB/m – etwas mehr als realistisch, aber dies reduziert die Rechenzeit, da wir eine kürzere Faserlänge (500 mm) annehmen können.

Abbildung 1 zeigt die Amplitudenverteilung in der Faser. man sieht, dass die Intensitätsverteilung ein “Loch” in der Region des inneren Kerns entwickelt. Dies ist der bekannte Effekt, dass man nach einiger Länge der Faser hauptsächlich solche Moden übrig hat, die kaum Pumpabsorption erfahren. Es würde dann wenig nützen, die Faser noch länger zu machen.

amplitude distribution along the fiber

Abbildung 1: Amplitudenverteilung entlang der Faser für einen runden Pumpkern.

Die rote durchgezogene Kurve in Abbildung 1 zeigt, wie die Pumpleistung abfällt. Sie kann verglichen werden mit der gestrichelten Kurve für eine “naive” Berechnung, wo ein konstanter Absorptionskoeffizient entsprechend dem Verhältnis der Kernflächen angenommen wird. Wegen des genannten Effekts tritt zwischen diesen Kurven eine zunehmende Diskrepanz auf.

Abbildung 2 zeigt die Intensitätsverteilung am Ende der Faser. Die Grenzen den beiden Kerne sind als graue Kreislinien gekennzeichnet.

intensity profile at the fiber end

Abbildung 2: Intensitätsverteilung am Ende der Faser.

Die Pumpabsorption kann verbessert werden mit einem D-förmigen Pumpkern: Man schneidet einfach am oberen Ende quasi ein Stück vom Pumpkern ab. Dies reduziert die Symmetrie der Faser so, dass wir nicht mehr helikale Moden mit geringem Kernüberlapp haben. Abbildungen 3 und 4 zeigen die Resultate. Die Pumpintensitätsverteilung bleibt in der transversalen Richtung gleichmäßiger, und die Pumpabsorption ist nun sogar ein wenig besser als nach der naiven Abschätzung.

amplitude distribution along the fiber

Abbildung 3: Amplitudenverteilung entlang der Faser für einen Pumpkern mit D-Form.

intensity profile at the fiber end

Abbildung 4: Intensitätsverteilung am Ende der Faser.

Man könnte nun natürlich auch modifizierte Fälle untersuchen, etwa mit einem oktogonalen Pumpkern, einem nicht mehr zentrierten inneren Kern, einer gebogenen Faser, usw. Auf diese Weise kann man Doppelkernfasern verschiedener Designs vergleichen und optimieren.

(zurück zu der Liste der Beispiele)

arrow