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?

Das Herstellen eines Computermodells ist oft sehr viel einfacher, schneller und kostengünstiger als die Herstellung des realen Objekts. Insbesondere ist es bei Computermodellen sehr viel günstiger, modifizierte Versionen herzustellen. Dadurch können Sie einfach verschiedene Versionen austesten, ohne eine Menge teurer Komponenten zu bestellen, auf deren Lieferung zu warten und eine Unmenge Zeit im Labor zu verbringen.

Im Gegensatz zu einem realen Objekt ist ein Computermodell vollständig transparent: Sie können einfach jedes interne Detail des Betriebs inspizieren, welches am realen Objekt häufig schwer oder gar nicht beobachtbar wäre. (Dieser Aspekt wird in unserem Vortrag "Der transparente Laser" detailliert diskutiert.)
Tests an Computermodellen sind nicht destruktiv – sogar Crash-Tests für Fahrzeuge oder die Simulation von Laserverstärkern im Betrieb mit extrem hohen optischen Intensitäten.

Experimente an Computermodellen ergeben häufig eindeutigere Resultate als experimentelle Tests, weil sie nicht von schwer kontrollierbaren Einflüssen tangiert werden.
Beispielsweise können zwei Versionen eines Lasermodells exakt gleich sein mit Ausnahme des einen Details, das Sie geändert haben; Sie werden klar den Effekt dieser Änderung sehen, ohne jegliche zusätzliche Einflüsse, und jederzeit einfach zwischen verschiedenen Versionen wechseln.

Vergleiche der Resultate realer Experimente mit denen von Computersimulationen zeigen Ihnen, ob unerwartete Phänomene in Ihrem Gerät auftreten. Beispielsweise können Sie herausfinden, ob die Performance so gut ist, wie sie für Ihr Design sein sollte.

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:

Sie können Lasergeräte effizienter entwickeln, d. h. Resultate schneller erhalten und Kosten sparen.
Sie können Ihre technische Kompetenz vertiefen, weit über das übliche Lehrbuchwissen hinaus.
Durch den Umgang mit Modellen entwickeln Sie neue Ideen z. B. für Optimierungen oder neue technische Ansätze.

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.