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

Beispiel: Pulserzeugung in einem gütegeschalteten Faserlaser

Beschreibung des Modells

Wir simulieren numerisch die Pulsbildung in einen Faserverstärker mit den folgenden Eigenschaften:

Der Laser wird zunächst so lange gepumpt, bis das Gleichgewicht erreicht wird. Dann wird der Q-switch für 500 ns geöffnet, so dass ein Puls emittiert wird, und danach wird der Q-switch wieder geschlossen. Diese Zyklen werden mit einer Rate von 10 kHz repetiert.

Ergebnisse

Abbildung 1 zeigt die zeitabhängigen optischen Leistungen im ersten und zweiten Q-switching-Zyklus sowie die prozentuale Anregungsdichte der Ytterbium-Ionen. Um beide Pulse in einem Diagramm anzuzeigen, wurde die angezeigte Zeit als diejenige nach dem jeweiligen Öffnen des Q-switch definiert.

zeitabhängige Größen

Abbildung 1: Ausgangsleistung und Anregungsdichte als Funktionen der Zeit.

Die komplizierten Pulsformen, die für jeden erstaunlich sind, der eher mit Bulk-Lasern vertraut ist, sind im Wesentlichen eine Konsequenz der hohen Laserverstärkung. Innerhalb eines einzigen Resonatorumlaufs kann die Energie im Resonator von einem Niveau weit unterhalb der Sättigungsenergie auf einen Wert oberhalb der Sättigungsenergie ansteigen. Dies führt zu ausgeprägten Spitzen mit einer Dauer deutlich unterhalb der Umlaufzeit.

Da die Zeit zwischen den Pulsen (ca. 10 μs) zu kurz ist, um die extrahierte Energie voll zu ersetzen, beginnt der zweite Q-switching-Zyklus mit einer niedrigeren Energie und einer entsprechend reduzierten Verstärkung. Trotzdem erhält der erste Pulse sogar etwas weniger Energie, da er früher kommt (wegen der höheren Verstärkung) und deswegen mehr Verluste am Q-switch erleidet, der eine begrenzte Schaltzeit aufweist.

Abbildung 2 zeigt die optischen Leistungen und die prozentuale Anregungsdichte der Ytterbium-Ionen als Funktionen des Orts in der aktiven Faser, und zwar unmittelbar bevor der erste Puls erzeugt wird. Trotz der höheren Pumpintensitäten nahe den Faserenden ist die Ytterbium-Anregung dort niedriger, weil die ASE-Leistungen recht hoch sind. Die Situation ist asymmetrisch, da das Fasergitter auf der rechten Seite innerhalb seiner Bandbreite starke ASE in Rückwärtsrichtung begünstigt, während ASE in der anderen Richtung hiervon nicht betroffen ist.

ortsabhängige Größen im Faserlaser

Abbildung 2: Optische Leistungen und prozentuale Ytterbium-Anregung als Funktionen des Orts in der aktiven Faser.

Wir erkennen, dass eine erhebliche Leistung von verstärkter Spontan-Emission (ASE) extrahiert wird. Dies begrenzt die erzielbare Verstärkung und die gespeicherte Energie. Direkt nach der Emission eines Pulses (hier nicht gezeigt) ist die Verstärkung wesentlich geringer, und ASE ist vernachlässigbar, bis wieder genügend Energie gespeichert ist.

Figure 3 zeigt die zeitliche Entwicklung der Pulsenergie und der Spitzenleistung. Nach der Erzeugung von nur 3 Pulsen ist der stationäre Zustand fast erreicht.

zeitliche Entwicklung der Pulsparameter

Abbildung 3: Zeitliche Entwicklung der Pulsparameter im gütegeschalteten Faserlaser. Die horizontale Achse zeigt die Nummer des Pulses.

Vor dem ersten Puls ist die Faser im stationären Zustand. Wie oben erläutert, wird die Energie des ersten Pulses durch Verluste am Q-switch (mit seiner endlichen Schaltzeit) stark reduziert.

Es wird deutlich, dass die Analyse des simulierten Verhaltens des Faserlasers zu einem erheblichen verbesserten Verständnis der Verhältnisse führt, welches insbesondere für die Optimierung von Faserlasern essenziell ist.

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