Tutorial über die Modellierung und Simulation von Faserverstärkern und Faserlasern

Dr. Rüdiger Paschotta

Tutorial: Modellierung und Simulation von Faserverstärkern und Faserlasern

Dieses Tutorial gibt eine Einführung in die Modellierung und Simulation von Faserverstärkern und Faserlasern. Zweck der Modellierung sollte es sein, ein tiefes und quantitatives Verständnis der Funktionsweise solcher Bauelemente zu entwickeln; sie ist die Grundlage für Computersimulationen vieler Aspekte des Laserbetriebs. Auf dieser Basis können sowohl die wissenschaftliche Forschung als auch die industrielle Entwicklung weit effizienter werden; statt “im Trüben zu fischen”, kann man systematischer vorankommen und Ergebnisse erzielen. Für allgemeinere Überlegungen siehe den Enzyklopädieartikel über Lasermodellierung und -simulation; dieses Tutorial konzentriert sich auf Aspekte, die für Faserverstärker und Faserlaser spezifisch sind.

Hauptsächlich erklärt dieses Tutorial Konzepte und Prinzipien statt detaillierter Mathematik. Schließlich ist das meist genau das, was man für den Einstieg in die Fasermodellierung braucht: Bevor man Konzepte und Prinzipien verstanden hat, nützen einem komplizierte Gleichungen wenig. Ohnehin können Sie es sich ersparen, viel Zeit auf anspruchsvolle Details wie das Lösen bestimmter Differentialgleichungen zu verwenden, wenn Sie eine leistungsfähige Simulationssoftware wie unser Produkt RP Fiber Power einsetzen.

Wir betrachten hier aktive Bauelemente, die laseraktive Fasern enthalten. Vor allem geht es darum, wie Licht in der Faser absorbiert oder verstärkt wird und welches Gesamtverhalten der Bauelemente sich aus diesen Prozessen ergibt. Wir schauen uns auch Verstärker für ultrakurze Pulse und modengekoppelte Laser an, bei denen zusätzliche Effekte wie Faser-Nichtlinearitäten und chromatische Dispersion ins Spiel kommen.

Klicken Sie auf die Überschriften, um zu den folgenden Teilen des Tutorials zu gelangen:

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Teil 1: Einführung

Was bedeutet physikalische Modellierung? Wie hängt ein Modell mit der Realität zusammen? Wie lässt sich ein Modell zum Nutzen der Entwicklung von Faserverstärkern und Faserlasern einsetzen? Ist ein experimentelles Vorgehen nach Versuch und Irrtum eine vernünftige Alternative?

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Teil 2: Optische Kanäle

Hier sortieren wir verschiedene Anteile des beteiligten Lichts, im Wesentlichen nach Wellenlänge und Ausbreitungsrichtung. Breitbandige Signale und Licht aus ASE lassen sich mit einer Reihe von Kanälen darstellen. Dieser Teil ist einfach, doch einige Aspekte müssen durchdacht werden.

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Teil 3: Leistungspropagation oder Feldpropagation

Manche Computermodelle propagieren ganze transversale Feldverteilungen durch eine Faser (numerische Strahlpropagation), während andere nur optische Leistungen propagieren. Der zweite Ansatz genügt häufig und erlaubt weit schnellere Berechnungen.

4	Teil 4: Die laseraktiven Ionen Die Details laseraktiver Ionen sind äußerst kompliziert. Stark vereinfachte Modelle genügen jedoch oft völlig, um ihr Verhalten in einem Simulationsmodell richtig zu beschreiben. Wir besprechen, welche spektroskopischen Daten für ein solches Modell nötig sind.

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Teil 5: Kontinuierlicher Betrieb von Verstärkern und Lasern

Hier besprechen wir, wie man selbstkonsistente Lösungen für die optischen Leistungen und die Anregungsdichte in einem Modell eines Faserverstärkers oder Faserlasers findet. Für vielseitige Simulationssoftware, die auf viele verschiedene Fälle anwendbar ist, wird ein recht ausgefeilter Algorithmus benötigt.

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Teil 6: Verstärkung und Erzeugung kurzer Pulse

Dynamische Simulationen (mit beliebigen Zeitabhängigkeiten der optischen Leistungen und Anregungsdichten) sind nicht notwendigerweise schwieriger als Berechnungen für den stationären Zustand. Man kann etwa das Verhalten gepulster Verstärker und gütegeschalteter Laser simulieren.

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Teil 7: Ultrakurze Pulse

Bei der Ausbreitung ultrakurzer Pulse kommen zusätzliche physikalische Effekte ins Spiel. In diesem Fall sind andere Algorithmen und Datenstrukturen nötig. Man kann dann etwa die Verstärkung ultrakurzer Pulse in einem Faserverstärker oder die Erzeugung solcher Pulse in einem modengekoppelten Laser simulieren.

8	Teil 8: Eigene Software oder ein kommerzielles Produkt? Man muss sich entscheiden, ob man Simulationssoftware selbst entwickelt oder ein kommerzielles Produkt einsetzt. Beide Wege haben ihre Vorteile, Grenzen und Risiken. Für diese Entscheidung sollte man eine Reihe wichtiger Aspekte bedenken.

Beginnen wir mit Teil 1!

Übrigens finden Sie auf dieser Website viele weitere Materialien zur Modellierung – zum Beispiel:

viele nützliche Fallstudien auf Basis numerischer Simulationen
Enzyklopädieartikel über Lasermodellierung und -simulation, Ratengleichungsmodelle, Laserdynamik und Modellierung der Pulsausbreitung (englischsprachig)
verschiedene Artikel des Photonics Spotlight behandeln Aspekte der Modellierung, zum Beispiel die vom 24.09.2013, 03.02.2012, 28.05.2011 und 16.11.2006

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