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Modellierung in der Photonik

Was ist ein Modell?

Ein Modell ist ein gedankliches Konstrukt, welches bestimmte Aspekte der Realität abbilden soll. Typischerweise wird es benutzt, um ein besseres Verständnis der Realität zu erarbeiten, welches dann bei Entscheidungen hilft – beispielsweise im Rahmen der Entwicklung eines Geräts oder bei der Behebung von Problemen.

Ein Modell ist immer einfacher als die Realität, damit wir mit dem verbleibenden Ausmaß an Komplexität besser umgehen können. Natürlich darf es nicht zu stark vereinfacht sein, d. h. es muss bestimmte Aspekte der Realität, die für die Untersuchung wesentlich sind, korrekt abbilden. Ideal ist es oft, wenn ein Modell alles Nötige enthält, aber auch nicht mehr.

In technischen Gebieten beginnt die Modellierung mit Gedanken und Ideen, aus denen dann formale Strukturen entstehen, die bestimmte Größen, mathematische Gleichungen etc. enthalten. Ein Computer zusammen mit geeigneter Software kann für die benötigten Berechnungen verwendet werden. Computermodelle simulieren das Verhalten realer Objekte (z. B. von Gebäuden, Fahrzeugen, elektronischen Schaltungen oder Lasern) und zeigen nicht nur die erwarteten Outputs, sondern vor allem auch die internen Vorgänge.

Beispiele für Modelle

Modelle werden in vielen technischen Gebieten umfassend eingesetzt; einige Beispiele hierfür:

Anwendungsgebiet Art des Modells untersuchte Aspekte
Architektur verkleinerte Artefakte oder Computermodelle von Gebäuden
  • Platzangebot für Einwohner und Installationen
  • Lichtverteilung (Sonnenlicht, Beleuchtung)
  • Energieströme
  • strukturelle Stabilität
Fahrzeugtechnik Modell einer Fahrzeugkarosserie mit Antrieb
  • Platz für Passagiere
  • strukturelle Stabilität, Crash-Sicherheit
  • dynamisches Fahrverhalten
Elektronik Modell einer elektronischen Schaltung
  • Überprüfung der Funktionalität
  • Einflüsse des nicht-idealen Verhaltens und der Toleranzen von Bauelementen
  • Betrieb mit Über- oder Unterspannung
Lasertechnologie Modell eines gütegeschalteten Lasers mit Laserkristall, Modulator und Resonator
  • Dynamik der Pulserzeugung
  • Effizienz
  • Strahlqualität
  • Effekte von gain guiding, begrenzter Schaltgeschwindigkeit des Modulators, etc.

Die nächste Seite beschreibt konkretere Modelle in der Lasertechnologie.

Generelle Anwendungen von Modellen

Die Modellierung ist kein Selbstzweck, sondern wird durchgeführt, um bestimmte Nutzeffekte zu erzielen:

Zweck Beispiele in der Lasertechnologie
Entwickeln eines klaren Verständnisses davon, wie bestimmte Dinge funktionieren
  • Leistungs-Konversion in Laserkristallen oder dotierten Fasern
  • Strahlformung in Laserresonatoren
  • Dynamik der Pulsformung oder Verstärkung
Planung der Konstruktion von Prototypen und Produkten
  • Laserresonatoren
  • Laserköpfe
  • Ultrakurzpuls-Verstärkersysteme
  • Datenübertragungssysteme
Analyse von Problemen existierender oder geplanter Geräte
  • schlechte Strahlqualität
  • Ineffizienz der Leistungsumwandlung
  • Instabilitäten
  • optische Zerstörung
Entwicklung neuer Ideen
  • neue Konzepte für Resonatordesigns
  • neue Pumpkonzepte
  • neue Lasermaterialien
  • neue Methoden der Pulsverstärkung

Warum sollten Sie solche Untersuchungen an Computermodellen anstatt an realen Objekten durchführen?

Der Bau und das Testen realer Geräte bleibt notwendig – aber es basiert dann auf einem Prototyp- oder Produktdesign, welches aus einem klaren Verständnis entstand. Sie bauen nichts mehr, was ohnehin nicht funktionieren kann!

Ihr Nutzen

Typische Nutzeffekte der Arbeit mit Computermodellen sind:

Solche Nutzeffekte sind natürlich von entscheidender Bedeutung für die Produktivität beispielsweise eines Ingenieurs in der Laserentwicklung oder eines Wissenschaftlers in der Laserforschung. Beide müssen genau verstehen, wie die Dinge funktionieren und wie man sie effektiv optimiert.

Weitere Details finden Sie in unserem Tutorial über Modellierung.

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