Innonet Projekt SOL Simulation und Optimierung innovativer Lasersysteme Prof. Dr. Christoph Pflaum Universität Erlangen-Nürnberg Institut für Informatik

Mitarbeiter im Innonet Projekt SOL Leitung: Prof. Dr. Christoph Pflaum Wissenschaftliche Mitarbeiter: Matthias Wohlmuth Britta Heubeck Studentin: Bachelorarbeit: Kristina Pickl Studentische Hilfskräfte: Severin Strobl Matthias Heine Florian Rathgeber

Module in der Lasersimulation Pumping distribution FEA temperature and structural mechanic time dynamic y/n Heat source time dynamic y/n Parabolic fit time dynamic y/n Laser-Crystal Configuration side pumped cylinder block Resonator Gauss-mode- analysis time dynamic y/n Output beam time dynamic y/n Population inversion time dynamic y/n

Module in der Lasersimulation Pumping distribution FEA temperature and structural mechanic time dynamic y/n Heat source time dynamic y/n FE-mode-analysis time dynamic y/n Laser-Crystal Configuration side pumped cylinder block Resonator Output beam time dynamic y/n Population inversion time dynamic y/n

Temperatur und Deformations-Berechnungen Trilineare Finite Elemente Blockstrukturierte Gitter zeitabhängige Simulation von Temperatur und Deformation des Laserkristalls

Finite Elemente Simulation Die Finite Elemente Simulation führt zu großen linearen Gleichungssytemen > 100 000 Unbekannte Lösungsmethoden: direkte Löser iterative Löser optimal sind Mehrgitterverfahren

Simulation von optischen Wellen Periodische Lösungen mit fester Polarisation können durch die Helmholtz-Gleichung beschrieben werden: Klassische Lösungsmethoden sind: Gauss-Moden-Analyse Beam Propagation Methode und Iterationsverfahren von Fox and Li Finite Element Approximation

Wissenschaftlich neue Simulationen der optischen Welle Zeitabhängige Gauss-Moden-Analyse kurzfristig möglich 1. Schritt: Beschreibung des Laserresonators durch das aktuelle LASCAD-Output-file 2. Schritt: Einbau in LASCAD Finite Elemente Simulation bei langen Resonatoren langfristig

Zeitabhängige Gauss-Moden-Analyse Seien normalisierte Eigenmoden. Die Photonendichten dieser Moden seien: Annahme: Die Gesamtphotonendichte ist:

Raten-Gleichungen für Gauss-Moden Ratengleichungen für s Moden Ratengleichung für die Populationinversion

Normalisierung und Diskretisierung der Raten-Gleichungen Ratengleichungen für s Moden Ratengleichung für die Populationinversion

Numerische Ergebnisse Modellbeispiel: Resonator mit zwei gekrümmten Spiegeln Pumpleistung 18 W 2 Moden TEM00 und LG10 2 Pumpkonfigurationen:

Beispiel A Pupulationinversion Zeitlicher Verlauf der TEM00 Mode

Beispiel B Pupulationinversion Zeitlicher Verlauf der TEM00 Mode

Problem bei der Modenberechnung mit Finiten Elementen Der 1-dimensionale Operator besitzt die oszillierenden Eigenvektoren sehr große Diskretisierungsgitter Die zugehörige Bilinearform ist nicht positiv definit.

Zwei-Wellen-Ansatz Der Zwei-Wellen-Ansatz führt zu:

Numerische Ergebnisse Verhältnis der Gebietsgröße zur Wellenlänge:

Wellen Finite Elemente Zur Simulation von internen Reflexionen benötigt man geeignete Finite Elemente:

Wellen Finite Elemente Simulation eines DFB Lasers: n1 n2 n1 n2 n1 n1 n2 n1 n2

Organisatorisches Wann und wo das nächste Treffen? Finanzen

Fragestellungen Wer kann welche Tests machen? Welche Firma sollen wir wann besuchen? Was gibt es zu optimieren?

Fragestellungen Konkrete Probleme für die Simulation notwendig ist? Nichtlinearitäten? Modenstruktur? Bestimmter vorgegebener Modenverlauf? Gepulste Laser? Welche? Photonische Kristalle