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

Beispiel: Pulserzeugung in einem gütegeschalteten Nd:YAG-Laser

Beschreibung des Modells

Obwohl die Software RP Fiber Power für Faserlaser entwickelt wurde, ist sie auch für viele Bulk-Laser gut einsetzbar. Voraussetzung ist lediglich, dass der Laser endgepumpt wird und dass die Strahlradien innerhalb des Kristalls etwa konstant bleiben. In der hier simulierten Situation ist die Rayleigh-Länge des Laserstrahls im Kristall 215 mm, mehr als zehnmal die Kristalllänge, so dass die Annahme sehr gut erfüllt ist.

Da der Pumpstrahl als leicht fehljustiert angenommen wird, ist die Radialsymmetrie gebrochen. Deswegen verwenden wir ein rechteckiges Raster anstelle der sonst üblichen Ringstrukturen. Die Auflösung wurde so gewählt, dass die Gauß-Strahlen mit vernünftiger Genauigkeit repräsentiert werden.

Eine dynamische Simulation wird in zwei Schritten durchgeführt:

Man beachte, dass eine endliche Schaltgeschwindigkeit des Q-switch simuliert wurde. Für unendlich schnelles Schalten würde das zeitliche Profil Modulationen auf der Zeitskala der Umlaufzeit zeigen.

Es sei angemerkt, dass in diesem Modell angenommen wird, dass der Strahlradius während des Pulsaufbaus konstant bleibt – trotz des Einflusses von gain guiding. Diese Annahme ist oft, aber nicht immer erfüllt. Wir haben ein noch ausgefeilteres Beispiel mit Wellenpropagation, wo diese Annahme nicht benötigt wird, und Effekte von gain guiding unter bestimmten Umständen beobachtet werden können.

Ergebnisse

Abbildung 1 zeigt wie die gespeicherte Energie und die Verstärkung in der Pumpphase aufgebaut werden. Die Steigung nimmt ab, da immer mehr Energie durch Fluoreszenz (spontane Emission) verloren geht.

Pumpphase im gütegeschalteten Laser
Abbildung 1: Zeitliche Entwicklung von gespeicherter Energie und Verstärkung in der Pumpphase.

Abbildung 2 zeigt das transversale Profil der Neodym-Anregung nach Extraktion eines Großteils der Energie durch den gebildeten Puls. Da der Laserstrahl ein wenig kleiner ist als der Pumpstrahl und da letzterer etwas fehljustiert ist, bleibt vor allem am rechten Rand noch etwas Anregungsenergie übrig.

transversales Anregungsprofil nach der Pulsbildung
Abbildung 2: Transversales Profil der Nd-Anregung nach Bildung des Pulses.

Abbildung 3 zeigt die Entwicklung der Ausgangsleistung und der Verstärkung während der Pulsbildung. Die Pulsenergie und Spitzenleistung (neben anderen Daten) wird im Diagramm angezeigt.

zeitliche Entwicklung von Verstärkung und Leistung in einem gütegeschalteten Laser
Abbildung 3: Zeitliche Entwicklung von Pulsenergie und Spitzenleistung.

Die letzte Abbildung zeigt die Entwicklung von Pulsenergie und Spitzenleistung mit einer logarithmischen Skala. Man sieht, wie die Leistung über mehrere Größenordnungen exponentiell ansteigt, beginnend auf einem sehr kleinen Niveau von der spontanen Emission.

zeitliche Entwicklung von Verstärkung und Leistung in einem gütegeschalteten Laser
Abbildung 4: Dasselbe wie in der vorherigen Abbildung, jedoch mit logarithmischer Skala.

Es wäre leicht möglich, dass Modell noch zu erweitern. Beispielsweise könnte die Entwicklung mehrerer transversaler Moden untersucht werden.

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