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    [推薦]LASCAD激光諧振腔分析與設(shè)計軟件簡介 [復(fù)制鏈接]

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    只看樓主 倒序閱讀 樓主  發(fā)表于: 2020-09-03
    經(jīng)過了15年的發(fā)展，LASCAD™已經(jīng)成為激光諧振腔分析與設(shè)計（Laser Cavity Analysis and Design）行業(yè)的領(lǐng)軍軟件。大量的用戶群體反饋的意見和建議幫助我們更好地提高諧振腔的設(shè)計技術(shù)并且積累了很多經(jīng)驗。 *8LMn   
    為了優(yōu)化諧振腔的設(shè)計，LASCAD™提供了一套獨(dú)特的模擬工具的集合： 5H ue7'LS  
     熱性能與腔結(jié)構(gòu)的有限元分析（FEA）方法對腔內(nèi)晶體的熱效應(yīng)進(jìn)行分析。 *hw\35%P`?  
     ABCD高斯光束傳輸矩陣，包括熱透鏡效應(yīng)和增益導(dǎo)引機(jī)制的分析。 ?mwD*LN3o  
     多模與調(diào)Q運(yùn)行的動態(tài)分析（DMA）方法，分析激光光束的動態(tài)特性以及三維空間中的特性。 ub|V\M{  
     3D物理光學(xué)傳輸矩陣（BPM），包括了衍射與增益的動態(tài)特性。 ayiu,DXx  
    rb|U;)C  
    Fig.1. LASCAD™的圖形用戶界面 z_|/5$T>U  
    LASCAD™ p`l0?^r c"  
    計算機(jī)上的光學(xué)工作平臺 ['T:ea6B  
     h=:Q-?n-  
    為了簡化操作，LASCAD™提供了復(fù)合的工程工具，如圖1所示的軟件用戶界面，可以當(dāng)作計算機(jī)上的工作平臺，用戶可以直接進(jìn)行諧振腔的設(shè)計。這樣，用戶就可以不用花費(fèi)大量的時間學(xué)習(xí)復(fù)雜的操作。 }I :OsAw  
     通過鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)對光學(xué)元件，例如反射鏡，透鏡或者晶體的添加，復(fù)合，調(diào)整或者刪除。 "sG=wjcw^  
     諧振腔和晶體的像散在設(shè)計過程中已經(jīng)自動考慮了。 3\B>lKhQ  
     軟件的菜單提供熱效應(yīng)的有限元分析，高斯光束的ABCD傳輸矩陣，物理光學(xué)，調(diào)Q運(yùn)行，諧振腔穩(wěn)定性以及輸出功率的計算。 ho$ +L  
     (;q;E\Ej q  
    LASCAD™ ;72T|e  
    激光工程師的有用助手 *NG+L)g  
     Bro9YP4<  
    為了發(fā)展一種強(qiáng)大的諧振腔設(shè)計軟件，激光工程師們必須面對技術(shù)和理論的交叉問題。隨著激光系統(tǒng)的小型化，輸出功率的不斷增長，熱透鏡效應(yīng)的分析變得越來越重要。該效應(yīng)嚴(yán)重依賴于系統(tǒng)的特性：包括材料參數(shù)、腔的幾何形狀、泵浦光束的分布以及冷卻系統(tǒng)。同時它與增益動態(tài)特性、模式競爭、調(diào)Q以及其他影響光束質(zhì)量和激光器效率的因素相互作用�；谶@些效應(yīng)的數(shù)值模擬，LASCAD為激光工程師們提供了諧振腔設(shè)計過程中相關(guān)特性的定量分析。 UX dUO@  
     >k'c' 7/  
    熱效應(yīng)的有限元（FEA）分析 l6d$V 9A  
     ?:)]h c  
    FEA可以用于計算激光器晶體的溫度分布、變形、應(yīng)力和機(jī)械斷裂。計算過程中需要考慮材料的參數(shù)、泵浦構(gòu)型以及冷卻結(jié)構(gòu)等。FEA是技術(shù)物理領(lǐng)域中一種眾所周知的求解差分方程的數(shù)值方法，例如，熱傳導(dǎo)方程。雖然在其他許多工程領(lǐng)域，F(xiàn)EA得到廣泛的成功應(yīng)用并且是一個不可或缺的方法，但是目前還沒有在其他任何一款商用激光設(shè)計軟件上實(shí)現(xiàn)。 ndkti5L,   
     ypy68_xyW  
    為了讓FEA能夠直接應(yīng)用于激光腔的設(shè)計，LASCAD™對重要構(gòu)型進(jìn)行FEA模型預(yù)設(shè)計，例如，端面或者側(cè)面泵浦的棒狀、條狀以及盤狀激光器。多種材料或者摻雜的晶體也有相關(guān)的模型，例如未摻雜的端面鏡。用戶可以自定義尺寸、FEA網(wǎng)格、邊界條件以及模型中的其他參數(shù)。與溫度相關(guān)的材料參數(shù)也可以通過解析式添加到模型中去。 CO`_^7o9(  
     hC\6- 0u  
    被吸收的泵浦功率密度分布采用基于超高斯函數(shù)的解析近似表達(dá)式進(jìn)行表征。為了實(shí)現(xiàn)吸收泵浦光的數(shù)值建模，LASCAD™支持從ZEMAX和TracePro的光線追跡程序?qū)霐?shù)據(jù)。這些程序可以生成吸收泵浦功率密度的三維數(shù)據(jù)，可以直接導(dǎo)入到LASCAD™中。ZEMAX和TracePro對模擬閃光燈泵浦或者非常規(guī)的泵浦結(jié)構(gòu)時的泵浦光分布非常有用。 6Aku1h  
     {|'E  
    圖 2a，2b，2c分別給出了端面泵浦棒狀晶體的溫度分布、變形以及應(yīng)力分布。圖3a，3b，3c分別給出了側(cè)面泵浦棒狀晶體的泵浦功率、溫度以及應(yīng)力張量的zz分量。 :AE&Ny4  
    LbkF   
    高斯光束ABCD傳輸矩陣方法 ^pYxKU_O  
     & 9<+;*/  
    將FEA的結(jié)果應(yīng)用到ABCD傳輸矩陣，溫度分布，以及溫度相關(guān)的折射率函數(shù)，在垂直光軸方向進(jìn)行拋物線擬合，結(jié)果如圖4所示。在擬合過程中，有限元網(wǎng)格在沿著晶體軸和垂直的方向上又進(jìn)行劃分。用同樣的方法可以完成晶體端面變形的擬合。對于很多結(jié)構(gòu)，例如端面泵浦的晶體棒，上述擬合近似可以得到的激光模式的可靠解。 ,]d,-)KX8  
    Wr( y)D<y}  
    為了查看ABCD傳輸矩陣的結(jié)果，沿著諧振腔軸向的基模光斑尺寸以及高階模的厄米-高斯多項式都會顯示出來。在晶體內(nèi)部，泵浦光與激光橫模之間的疊加也可以直接顯示，如圖1中所示。為考慮像散的影響，與腔軸垂直的兩個平面同時進(jìn)行計算。對于駐波腔，可以基于產(chǎn)生g參數(shù)的諧振腔穩(wěn)定性圖，結(jié)果如圖5所示。計算得到的高斯模式以及吸收泵浦功率的密度分布可以用來分連續(xù)波激光和激光的瞬態(tài)過程。 8@tPm$  
    bdc&1I$  
    CW激光特性 WS`qVL]^&  
     r.BIJt)  
    連續(xù)波運(yùn)轉(zhuǎn)的激光可以直接分析。它可以計算基模光的輸出功率以及近似得到多模運(yùn)轉(zhuǎn)時的輸出功率。通過對整個晶體進(jìn)行迭代積分，可以得到與時間無關(guān)的三維激光速率方程的解。圖6是一個端面泵浦Nd3+：YAG棒的例子。圓圈表示模擬結(jié)果，綠色三角是測量結(jié)果。具體過程參見“結(jié)果驗證”的段落。 lMBLIB]i  
    w$Rro)?}7  
    激光瞬態(tài)特性 9_ d pR.  
     h]TQn)X]  
    為了分析激光的瞬態(tài)特性，LASCAD™提供了多模以及調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)的動態(tài)多模分析（DMA）工具。為此，LASCAD采用有限元求解工具來求解與時間相關(guān)的速率方程組，其中包含了描述各個模式（預(yù)定義的高斯橫向本征模）光子數(shù)的方程。這種方法可以提供模式競爭、功率輸出、光束質(zhì)量和脈沖形狀的詳細(xì)信息。模擬結(jié)果被證明與實(shí)驗測量結(jié)果吻合得很好，具體參見下面的“結(jié)果驗證”的段落。 [Lzw#XE  
    動態(tài)模式分析（DMA）可以提供以下重要功能： Wh.?j>vB  
     高重頻或者單脈沖調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)時激光器輸出脈沖形狀以及輸出功率隨時間變化曲線 oIduxbAp  
     調(diào)Q或者CW運(yùn)轉(zhuǎn)時激光器不同橫模的輸出功率 lb3]$Da  
     調(diào)Q或者CW運(yùn)轉(zhuǎn)時激光器的光束質(zhì)量因子M2 o:_Xv.HRZo  
     硬邊以及高斯光欄對光束質(zhì)量的影響 @9lUSk^9  
     高斯以及超高斯型反射輸出鏡 N9v1[~ bv_  
    圖7給出了通過DMA得到的輸出功率隨時間變化的曲線。由于計算起始點(diǎn)時粒子數(shù)反轉(zhuǎn)密度N(x,y,z,t=0)=0，可以看到初始時的尖峰脈沖序列，然而隨著時間的增加，其逐漸衰減并且最終趨于常數(shù)值。圖8是一個典型的DMA脈沖形狀。 BDjn !3  
    QC9eUYe  
    物理光學(xué)方法 =,UWX3`f  
    在拋物線近似以及ABCD傳輸矩陣精度不夠的情況下，F(xiàn)EA的結(jié)果可以導(dǎo)入到物理光學(xué)代碼中進(jìn)行高精度運(yùn)算。物理光學(xué)方法可以在不用拋物線近似的情況下為光束在晶體中的傳播提供全景三維模擬。為此，物理光學(xué)方法采用了分步光束傳播方法（BPM），以小步長模擬光束在具有熱畸變的晶體中傳播過程。在計算過程中，BPM考慮了FEA分析中得到的局部折射率分布以及晶體端面形變。采用Fox-Li迭代，BPM方法計算了光束在諧振腔中多次往返傳輸，最終收斂于基�；蛘叨鄠�高階橫模的疊加。 ,d