Dynamische Lichtpropagation in Hochleistungs-Glasfaserverstärkern

Für zukünftige, anspruchsvolle Laseranwendungen wie bspw. der Materialbearbeitung werden zunehmend höhere Laserleistungen benötigt, sowohl in Bezug auf kontinuierlich emittierende wie auch gepulste Lasersysteme. Eines der aktuellen Hauptprobleme in der Leistungsskalierung von Hochleistungsfaserlasersystemen sind transversale Modeninstabilitäten (TMI). Hierbei beginnt das Strahlprofil ab einer gewissen Leistungsschwelle plötzlich zu fluktuieren und begrenzt damit die sinnvoll nutzbare maximale Ausgangsleistung.

Aus der Literatur sind derzeit noch keine Erklärungen bekannt, die alle beobachteten Phänomene übereinstimmend erklären können und insbesondere auch praktikable Lösungsansätze für diese Problematik aufzeigen. Für ein tiefgreifendes Verständnis ist daher die Entwicklung einer möglichst vollständigen Simulation aller beteiligten Prozesse notwendig.

Dies schließt u.a. Prozesse wie sättigbare Verstärkung, Propagation des Lichtfelds in dem Brechungsindexprofil der aktiven Faser, Berechnung der Temperaturverteilung durch den lokalen Wärmeeintrag in der Faser und die Wechselwirkung dieser einzelnen Prozesse untereinander mit ein. Diese auf völlig unterschiedlichen Zeitskalen stattfindenden Prozesse können derzeit lediglich getrennt voneinander simuliert werden.

In diesem Teilprojekt soll daher ein Simulationsmodell entwickelt werden, mit dem alle diese beteiligten Prozesse und deren Interaktion integriert abgebildet werden können und das beobachtete Verhalten von Faserverstärkern verstanden werden kann.

Neben dem Verständnis der Prozesse, die zur Modeninstabilität führen, soll der nichtlineare Strahlpropagationscode auch für die Simulation von nichtlinearen Schmelzkopplern genutzt werden, die ein grundlegendes Element (sättigbarer Absorber) für die Realisierung von wartungsfreien, vollständig fasergekoppelten Ultrakurzpulsoszillatoren bilden können.