Modellierung in der Photonik

Der Einstieg in die Laser-Modellierung

Viele verstehen bereits recht gut, dass die Lasermodellierung (oder allgemeiner, Modelle in der Photonik) für ihre industrielle Laserentwicklung oder ihre wissenschaftliche Forschung extrem wertvoll wäre. Jedoch zögern sie mit dem Einstieg wegen der Sorge, dass es zu schwierig sein könnte, so etwas durchzuführen. Hier soll gezeigt werden, dass es gar nicht so schwierig sein muss; es gibt gewisse Wege, um ziemlich einfach von der Lasermodellierung profitieren zu können.

Sie können wie folgt vorgehen:

Identifizierung der relevanten technischen Aspekte

In einem ersten Schritt sollten Sie darüber nachdenken, welches die wichtigsten technischen Bereiche für Ihre Arbeit z. B. als Laserentwickler oder Forscher sind:

Benötigen Sie ein genaues Verständnis von Laserdynamik, z. B. im Zusammenhang mit gütegeschalteten Lasern oder Pulsverstärkern?
Müssen Sie das Verhalten von Laserresonatoren analysieren?
Befassen Sie sich mit der Erzeugung ultrakurzer Pulse, z. B. in modengekoppelten Lasern oder Verstärkersystemen?
Sind die detaillierten Vorgänge in bestimmten optischen Komponenten für Sie besonders relevant?

Es ist wichtig, gleich anfangs eine Anzahl konkreter Fragen aufzustellen, die Sie gerne beantwortet hätten – zum Beispiel:

Was wäre die Performance meines Lasers, wenn alle Komponenten perfekt entsprechend ihrer Spezifikationen arbeiteten?
Wie relevant sind Effekte wie gain guiding, Dejustage, Inhomogenitäten von Pumpprofilen etc. für die Performance meines Lasers oder Verstärkers?
Warum genau kann ich keine kürzeren Pulse von meinem modengekoppelten Laser erhalten? Was sind die prinzipiellen Begrenzungen? Würde es helfen, bestimmte Details des Systems zu ändern?

Natürlich werden Ihnen mehr und mehr solcher Fragen begegnen, wenn Sie erst einmal mit einem Modell arbeiten. Es ist jedoch wichtig, von Anfang an in die richtige Richtung vorzugehen.

Wer sollte an der Modellierung arbeiten?

Vielleicht möchten Sie die Modellierung selbst durchführen. Auf diese Weise werden Sie persönlich ein sehr gutes Verständnis Ihrer Systeme erlangen, und Sie werden in der Lage sein, dies und die Software effizient auf weitere Projekte anzuwenden. Jedoch müssen Sie sich dafür mit den technischen Details befassen – hauptsächlich mit der Physik und meist in einem geringeren Ausmaß mit der Handhabung einer gewissen Software.

In manchen Fällen mag ein Kollege in Ihrem Team für diese Arbeit besser geeignet sein. Es kann sehr vernünftig sein, dass sich ein oder zwei Personen im Team auf die Modellierung fokussieren und die ganze Gruppe mit den erhaltenen Erkenntnissen unterstützen.

Wenn es in Ihrem Team niemanden gibt, der diese Aufgabe übernehmen kann, heißt dies noch lange nicht, dass Sie nicht von Modellierung profitieren können! Schließlich kann diese Aufgabe auch von einem externen Experten durchgeführt werden. Natürlich brauchen Sie hierfür einen Experten, der dafür bekannt ist, dass er die relevanten Details sehr gut versteht, der die benötigte Software hat und mit großer Sorgfalt arbeitet. Erwägen Sie, Dr. Paschotta von RP Photonics zu fragen.

Computer und Software

Wenn Sie selbst mit der Modellierung beginnen möchten, brauchen Sie einen geeigneten Computer und Software.

Die Computerhardware ist das geringste Problem. Die meisten Lasermodelle können ohne weiteres auf einem gewöhnlichen PC betrieben werden. Selbst für ziemlich aufwendige Simulationen sind die Rechengeschwindigkeit und der Speicher eines normalen PC völlig ausreichend. Wo dies einmal anders ist, kann man das Problem häufig dadurch lösen, dass man ein geeigneteres Modell verwendet.

Betreffend die Software sollten Sie herausfinden, welcher Anbieter am besten leistungsfähige Simulations- und Designsoftware liefern kann, die sehr klar dokumentiert ist und zusammen mit kompetentem und hilfreichem technischem Support geliefert wird. Idealerweise bekommen Sie Software, die von einem bekannten Experten entwickelt wurde, wobei der technische Support vom gleichen Experten durchgeführt wird. Stellen Sie außerdem sicher, dass die Software Ihnen nicht nur einen einfachen Start ermöglicht, sondern vor allem auch genügend Flexibilität für die Arbeit an realen Projekten.

Sie mögen erwägen, Ihre eigene Modellierungssoftware zu entwickeln. Dies gibt Ihnen die höchstmögliche Flexibilität und volle Kontrolle, und Sie werden eine Menge dabei lernen. Jedoch kann der hohe Aufwand, um eine wirklich gute und verlässliche Simulationssoftware zu entwickeln, meist nicht mit der Anwendung durch eine einzelne Person gerechtfertigt werden. Beachten Sie hierbei auch, dass eine mit begrenztem Aufwand entwickelte Lösung (mit einer dürftigen Benutzeroberfläche, ohne angemessene Validierung und ohne Dokumentation) kaum empfohlen werden kann; sie könnte irreführende Resultate ergeben, zu umständlich zu bedienen sein und könnte nicht mehr weitergeführt oder gar nicht mehr weiter benutzt werden, wenn ihr Entwickler die Gruppe verlässt. Denken Sie auch daran, dass Ihre eigentliche Aufgabe als Ingenieur oder Wissenschaftler vermutlich nicht die Entwicklung von Werkzeugen ist, sondern das Erzielen von Resultaten. Sie sind vermutlich viel produktiver, wenn Sie mit einer guten Simulations- und Designsoftware arbeiten, anstatt solche Software selbst zu entwickeln.

Entwickeln Sie das nötige technische Wissen

Natürlich wird einiges an technischem Wissen benötigt, um mit Lasermodellen arbeiten zu können; es genügt nicht, irgendeine Software zu haben. Die Arbeit mit Lasermodellen gehört nun aber gerade zu den allerbesten Methoden, ein genaues Verständnis der Funktionsweise von Lasern zu erlangen – nicht nur betreffend quantitative Details, sondern auch bezüglich der grundlegenden Physik. Wenn Sie mit Lehrbuchwissen beginnen, werden Sie schnell weitere Dinge lernen, z. B. betreffend die Begrenzungen gewisser Konzepte und die Wichtigkeit bestimmter Effekte.

Es kann gut sein, dass Sie gewissen Herausforderungen begegnen werden, wo ihr vorhandenes Know-how nicht völlig ausreicht, um die Lösung zu finden. In solchen Fällen ist dann eine hochwertige technische Unterstützung, die vom Anbieter der Simulationssoftware geboten wird, von entscheidender Bedeutung. Im Idealfall erhalten Sie technische Unterstützung nicht nur für die Handhabung der Software, sondern allgemeiner als eine Art technischer Beratung im jeweiligen Fachbereich. Dies ist, was RP Photonics anbietet – beachten Sie den vollen Firmennamen RP Photonics Consulting GmbH.

Fragen Sie einfach!

Vielleicht sind Sie anfangs nicht sicher, ob die Modellierung in einem konkreten Fall überhaupt sinnvoll ist. Dann kann es sehr nützlich sein, einmal mit einem erfahrenen Experten darüber zu sprechen. Kontaktieren Sie einfach RP Photonics; sie werden ehrliche Antworten dazu erhalten, welche Arten von Modellen geeignet sein könnten bzw. ob Modellierung im konkreten Fall überhaupt der richtige Ansatz ist.