RP Fiber Power: Simulations- und Design-Software
für Faseroptik, Faserverstärker und Faserlaser
| Überblick | Features | Geschwindigkeit | Modell |
| Faser-Daten | Benutzung | Demos | Versionen |
Beispiel: Pulserzeugung in einem gütegeschalteten Faserlaser
Beschreibung des Modells
Wir simulieren numerisch die Pulsbildung in einen Faserverstärker mit den folgenden Eigenschaften:
- Die Doppelkernfaser hat eine konstante Dotierungsdichte von Ytterbium in ihrem Step-Index-Kern.
- Der Laser wird kontinuierlich von beiden Seiten gepumpt.
- Der Auskoppelspiegel auf der rechten Seite ist ein Faser-Bragg-Gitter mit 10 % Reflektivität in einem 1 nm breiten Bereich um 1060 nm.
- Ein Q-switch (Modulator) ist links von der aktiven Faser eingefügt. Er hat eine endliche Schaltzeit und weist eine starke Unterdrückung im geschlossenen Zustand auf.
- Zeitliche Verzögerungen von 3 ns und 1 ns werden angenommen für die Ausbreitung in undotierten Fasern links und rechts von der aktiven Faser.
- ASE wird berücksichtigt, da sie die erreichbare Verstärkung und die gespeicherte Energie limitiert.
Der Laser wird zunächst so lange gepumpt, bis das Gleichgewicht erreicht wird. Dann wird der Q-switch für 500 ns geöffnet, so dass ein Puls emittiert wird, und danach wird der Q-switch wieder geschlossen. Diese Zyklen werden mit einer Rate von 10 kHz repetiert.
Ergebnisse
Abbildung 1 zeigt die zeitabhängigen optischen Leistungen im ersten und zweiten Q-switching-Zyklus sowie die prozentuale Anregungsdichte der Ytterbium-Ionen. Um beide Pulse in einem Diagramm anzuzeigen, wurde die angezeigte Zeit als diejenige nach dem jeweiligen Öffnen des Q-switch definiert.
Die komplizierten Pulsformen, die für jeden erstaunlich sind, der eher mit Bulk-Lasern vertraut ist, sind im Wesentlichen eine Konsequenz der hohen Laserverstärkung. Innerhalb eines einzigen Resonatorumlaufs kann die Energie im Resonator von einem Niveau weit unterhalb der Sättigungsenergie auf einen Wert oberhalb der Sättigungsenergie ansteigen. Dies führt zu ausgeprägten Spitzen mit einer Dauer deutlich unterhalb der Umlaufzeit.
Da die Zeit zwischen den Pulsen (ca. 10 μs) zu kurz ist, um die extrahierte Energie voll zu ersetzen, beginnt der zweite Q-switching-Zyklus mit einer niedrigeren Energie und einer entsprechend reduzierten Verstärkung. Trotzdem erhält der erste Pulse sogar etwas weniger Energie, da er früher kommt (wegen der höheren Verstärkung) und deswegen mehr Verluste am Q-switch erleidet, der eine begrenzte Schaltzeit aufweist.
Abbildung 2 zeigt die optischen Leistungen und die prozentuale Anregungsdichte der Ytterbium-Ionen als Funktionen des Orts in der aktiven Faser, und zwar unmittelbar bevor der erste Puls erzeugt wird. Trotz der höheren Pumpintensitäten nahe den Faserenden ist die Ytterbium-Anregung dort niedriger, weil die ASE-Leistungen recht hoch sind. Die Situation ist asymmetrisch, da das Fasergitter auf der rechten Seite innerhalb seiner Bandbreite starke ASE in Rückwärtsrichtung begünstigt, während ASE in der anderen Richtung hiervon nicht betroffen ist.
Wir erkennen, dass eine erhebliche Leistung von verstärkter Spontan-Emission (ASE) extrahiert wird. Dies begrenzt die erzielbare Verstärkung und die gespeicherte Energie. Direkt nach der Emission eines Pulses (hier nicht gezeigt) ist die Verstärkung wesentlich geringer, und ASE ist vernachlässigbar, bis wieder genügend Energie gespeichert ist.
Figure 3 zeigt die zeitliche Entwicklung der Pulsenergie und der Spitzenleistung. Nach der Erzeugung von nur 3 Pulsen ist der stationäre Zustand fast erreicht.
Vor dem ersten Puls ist die Faser im stationären Zustand. Wie oben erläutert, wird die Energie des ersten Pulses durch Verluste am Q-switch (mit seiner endlichen Schaltzeit) stark reduziert.
Es wird deutlich, dass die Analyse des simulierten Verhaltens des Faserlasers zu einem erheblichen verbesserten Verständnis der Verhältnisse führt, welches insbesondere für die Optimierung von Faserlasern essenziell ist.