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

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Beispiel: Pulserzeugung in einem aktiv gütegeschalteten Nd:YAG-Laser

Beschreibung des Modells

Diese Modell ist ähnlich zu dem für einen aktiv gütegeschalteten Nd:YAG-Laser, aber anstelle eines aktiven Q-switch wird ein Cr:YAG-Kristall als sättigbarer Absorber für passives Güteschalten eingesetzt.

Da ein dynamisches Modell nur eine “Faser” enthalten kann, wurde das System wie eine einzelne Faser behandelt, die mit Nd³⁺- und Cr⁴⁺-Ionen dotiert ist, und zwar gleichmäßig verteilt über die gesamte Resonatorlänge. Dies bedeutet, dass wir nicht das gewöhnliche Lasermodell verwenden, sondern ein benutzerdefiniertes Energieniveauschema mit zwei nicht miteinander wechselwirkenden Arten von Ionen, von denen jedes zwei relevante elektronische Zustände hat. (Kurzlebige höhere Zustände können ignoriert werden, da ihre Anregungsdichten vernachlässigbar sind.)

Ergebnisse

Abbildung 1 zeigt nur die Pumpphase. Die Simulation wird gestoppt an dem Punkt, wo die Netto-Verstärkung pro Umlauf positiv wird.

pump phase of Q-switched laser — Abbildung 1: Entwicklung der gespeicherten Energie und der Verstärkung in der Pumpphase.

Die Simulation wurde abgebrochen, sobald eine positive Umlaufverstärkung erreicht wurde (bei 135 μs).

Abbildung 2 zeigt das transversale Profil der Nd³⁺-Anregung nach dem Pumpen, aber vor der Emission eines Pulses. Die Form dieser Kurve entspricht der des Pumpprofils.

Abbildung 2: Transversales Profil der Nd³⁺-Anregung direkt vor der Pulserzeugung.

Eine Netto-Umlaufverstärkung von 0 dB wird nach dem Pumpen für 135 μs erreicht. Abbildung 3 simuliert nun die Pulserzeugung. Hierfür wird eine volle dynamische Simulation benötigt, die die Zeitverzögerung bei der Lichtausbreitung berücksichtigt. Dies ist im Prinzip langsamer in der Ausführung, jedoch muss diese Simulation nur für ein relativ kurzes Zeitintervall ausgeführt werden. Deswegen erhalten wir auch diese Resultate in wenigen Sekunden. Die Entwicklung der Ausgangsleistung wird auf einer logarithmischen Skala gezeigt.

output power and net gain vs. time — Abbildung 3: Ausgangsleistung und Netto-Umlaufverstärkung als Funktionen der Zeit, mit einer logarithmischen Skala für die Leistung angezeigt.

Man kann erkennen, dass die Ausgangsleistung direkt vor der Pulsemission schneller steigt, weil dann der Cr:YAG-Absorber gesättigt ist. Man sieht ebenfalls, wie die Netto-Verstärkung nach der Pulsemission abfällt, weil sich der Absorber wieder erholt.

Abbildung 4 zeigt dasselbe mit einer linearen Skala für die Leistung und für einen kleineren zeitlichen Bereich.

Abbildung 5 zeigt die transversalen Profile der Anregung der Nd³⁺- und Cr⁴⁺-Ionen am Ende der Simulation. Die Nd³⁺-Anregung wurde weitgehend abgebaut, und zwar stärker im Zentrum des Strahls. (Der Laserstrahl wurde als etwas kleiner als der Pumpstrahl angenommen.)

Abbildung 5: Transversales Profil der Nd³⁺- und Cr³⁺-Anregung nach der Pulserzeugung.

Die ganze Simulation und die Erzeugung der obigen Grafiken benötigt nur ca. 10 Sekunden auf einem gewöhnlichen PC.

Schließlich untersuchen wir noch den Einfluss der Pumpleistung. In Abbildung 6 simulieren wir für jeden Wert der Pumpleistung zwei Pump/Puls-Zyklen (wodurch der stationäre Zustand mehr oder weniger erreicht wird) und zeigen die resultierenden Pulsparameter an. Es zeigt sich, dass eine erhöhte Pumpleistung im wesentlichen nur die Zeit für das Pumpen verkürzt, die Pulsenergie und -dauer aber nicht wesentlich ändern.

pulse parameters vs. pump power — Abbildung 6: Pulsparameter als Funktionen der Pumpleistung.

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