RP ProPulse – Simulation der Ausbreitung ultrakurzer Pulse
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Beispiel: Modengekoppelter Faserlaser
Modengekoppelte Faserlaser arbeiten in sehr unterschiedlichen Regimes – nicht nur bezüglich ihrer Pulsparameter, sondern auch was die Mechanismen der Pulsformung betrifft. Als ein Beispiel betrachten wir einen “all-normal-dispersion fiber laser”, bei dem der Puls innerhalb jedes Resonatorumlaufs starke Änderungen erfährt.
Der Laserresonator enthält die folgenden Teile:
- ein Faser-Bragg-Gitter (FBG) mit einer begrenzten Reflexionsbandbreite und erheblicher chromatischer Dispersion
- einen schnellen sättigbaren Absorber
- eine Faser mit Laserverstärkung, weiterer chromatischer Dispersion und Kerr-Nichtlinearität
Dies wird mit den folgenden Zeilen implementiert:
resonator: ring * FBG: T_out(f) := 1 - R_fbg(f) * FBG_dispersion: GDD = GDD_fbg * Absorber: satloss = dR_a [P_sat = P_sat_a] * Fiber [split = maxr(round(g_est / g_max), round(SPM_f * P_p0 / phi_nl_max))]: GDD = GDD_f, SPM = SPM_f, gain = g_ss [P_sat_av = P_sat_g] resonator end
(Das Modell ist in verschiedener Hinsicht stark vereinfacht; es wäre kein Problem, beispielsweise Dispersion höherer Ordnung in der Faser und dem Fasergitter einzubauen.)
Da die Pulsparameter sich während jeder Passage durch die Faser stark ändern, wird die Faser für die Berechnung in mehrere Teilabschnitte aufgespalten. Die Anzahl der Abschnitte wird automatisch so berechnet, dass sowohl die Größe der Verstärkung als auch die nichtlineare Phasenverschiebung innerhalb jedes Abschnitts begrenzt bleiben.
Das folgende Diagramm zeigt, wie sich die Pulsparameter (aufgezeichnet vor dem Fasergitter) entwickeln. Nach nur 200 Resonatorumläufen hat der Puls bereits in etwa den stationären Zustand erreicht. (Man beachte, dass die volle Gain-Dynamik hier nicht berücksichtigt wird; in Wirklichkeit würde die Pulsenergie wesentlich länger brauchen, bis sie ihren stationären Wert erreicht hat.)
Das nächste Diagramm zeigt den resultierenden Puls (wieder vor dem Fasergitter) in der zeitlichen Domäne. Der Verlauf der instantanen Frequenz zeigt den starken nichtlinearen "Up-Chirp" des Pulses.
Das nächste Diagramm zeigt den gleichen Puls im Frequenzbereich. Die spektrale Form ist typisch für diese Art von Laser.
Die nahezu parabolische Form des Phasenprofils würde eine effiziente dispersive Kompression des Pulses ermöglichen. Dies demonstriert das letzte Diagramm, bei dem der Puls durch einen automatisch optimierten Kompressor mit nur Dispersion zweiter Ordnung lief.
Beachten Sie, dass die Software RP Fiber Power für die Faseroptik noch geeignerter ist. Es gibt hier auch einen Beispiel-Fall für einen modengekoppelten Faserlaser.