RP Fiber Power: Simulations- und Design-Software für Faseroptik, Faserverstärker und Faserlaser
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Beispiel: Chirped-Pulse-Verstärkersystem
Das hier untersuchte System enthält die folgenden Komponenten:
- einen modengekoppelten Faserlaser
- einen pulse picker
- eine passive Faser als pulse stretcher
- eine verstärkende Faser
- einen dispersiven Pulskompressor mit numerisch optimierter Dispersion
Diese Simulation zeigt, dass RP Fiber Power geeignet ist, um sogar ziemlich komplexe Systeme zu simulieren. Das ganze Modell wird mit einem einzigen Skript beschrieben, das all die folgenden Resultate produziert. Natürlich könnte man auch separate Skripte für die einzelnen Komponenten verwenden und die Pulse durch Speichern in Dateien übertragen.
Ergebnisse
Ultrakurze Pulse mit einer hohen Repetitionsrate von 41 MHz werden in einem modengekoppelten Faserlaser (dissipative soliton laser) wie beschrieben auf einer anderen Seite erzeugt. Die entstehenden Pulse haben eine Energie von 1 nJ und eine Dauer von 5,7 ps.
Die Pulse haben ein bereits verbreitertes optisches Spektrum mit einer Breite von 7.6 nm (gemessen auf dem 10-%-Niveau), welche durch den starken Chirp entsteht.
Ein pulse picker selektiert dann nur einen von 1000 Pulsen des Lasers. Die reduzierte Durchschnittsleistung erlaubt später eine größere Verstärkung der Pulse.
Die Spitzenleistung ist moderate – etwa 160 W. Wenn wir die Pulse jedoch direkt auf eine Energie von 1 μJ oder höher verstärken würden, erhielten wir eine enorme Spitzenleistung. Nichtlineare Effekte würden dann extrem stark. Deshalb benutzen wir zuerst eine 100 m lange passive Faser als pulse stretcher; sie verlängert die Pulsdauer auf 46 ps, so dass die Spitzenleistung auf 23 W absinkt. (Der bereits vom Laser her bestehende Chirp der Pulse hilft hierbei.) Die instantane Frequenz steigt ziemlich genau linear mit der Zeit an. Die Nichtlinearität der Faser ist ebenfalls nicht vernachlässigbar; sie verbreitert das Spektrum weiter auf 10,4 nm.
Eine aktive Faser mit größerer Modenfläche verstärkt nun die Pulsenergie von 1 nJ auf 1,55 μJ.
Um den stationären Zustand des Verstärkers zu finden, werden mehrfache Pulsdurchgänge simuliert, bis sich die Pulsenergie nicht mehr wesentlich ändert. (Dieses iterative Verfahren wäre eigentlich nur bei niedrigeren Repetitionsraten und entsprechend höheren Pulsenergien wichtig.)
Schließlich durchlaufen die Pulse einen dispersiven Kompressor mit numerisch optimierter Dispersion zweiter und dritter Ordnung. Die Pulsdauer sinkt auf 285 fs, und die Spitzenleistung steigt auf 4,8 MW, wenn Energieverluste im Kompressor vernachlässigt werden.
Die sehr starke chromatische Dispersion, die man für die Kompression dieser Pulse benötigt, kann wohl nur mit einem Gitterkompressor erzeugt werden. Bei diesem können wir allerdings die Dispersion zweiter Ordnung und höherer Ordnungen nicht separat optimieren. Deshalb haben wir getestet, wie gut ein solcher Gitterkompressor (mit zwei Gittern im Doppeldurchgang) funktioniert, beispielsweise mit 900 Linien pro Millimeter, einem Einfallswinkel von 40° und einer variablen Distanz zwischen den Gittern. (Die Funktion pp_grating_pair() macht es einfach, den Effekt eines solchen Kompressors auf einen Puls zu simulieren.) Das folgende Diagramm zeigt die Resultate für einen Abstand der Gitter (gemessen entlang einer Linie senkrecht zu den Gittern) zwischen 60 cm und 70 cm. Es stellt sich heraus, dass es für einen Abstand von 64 cm sehr gut funktioniert.
Übrigens wäre es auch nicht schwierig, eine numerische Optimierung einzurichten, bei der z. B. der Abstand zwischen den Gittern und evtl. auch der Einfallswinkel automatisch so eingestellt würden, dass die minimale Pulsdauer erreicht wird.
Die ganze Simulation benötigt nur ca. 75 s auf einem gewöhnlichen PC. Dies schließt 100 Resonatorumläufe im modengekoppelten Laser ein, um dessen stationären Zustand zu finden, ebenfalls die genannte iterative Prozedur zum Finden des stationären Zustands der verstärkenden Faser, die numerische Optimierung des Pulskompressors sowie die Erzeugung all der Diagramme. Natürlich wäre es auch nicht schwierig, beispielsweise den vom Oszillator erzeugten Puls in einer Datei abzuspeichern und dies als Eingabedaten für ein weiteres Skript zu verwenden, welches die Verstärkerstufen simuliert.