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    [推薦]LASCAD激光諧振腔分析與設(shè)計(jì)軟件簡(jiǎn)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(jì)（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(jì)技術(shù)并且積累了很多經(jīng)驗(yàn)。 tgDmHxB]0  
    為了優(yōu)化諧振腔的設(shè)計(jì)，LASCAD™提供了一套獨(dú)特的模擬工具的集合： 5f7;pS<  
     熱性能與腔結(jié)構(gòu)的有限元分析（FEA）方法對(duì)腔內(nèi)晶體的熱效應(yīng)進(jìn)行分析。 vt[4"eU  
     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。 ?MuM _6  
     多模與調(diào)Q運(yùn)行的動(dòng)態(tài)分析（DMA）方法，分析激光光束的動(dòng)態(tài)特性以及三維空間中的特性。 f8)D|  
     3D物理光學(xué)傳輸矩陣（BPM），包括了衍射與增益的動(dòng)態(tài)特性。 ]?xF'3#  
    LKG],1n-  
    Fig.1. LASCAD™的圖形用戶界面 'z2}qJJ)  
    LASCAD™ -3X#$k8  
    計(jì)算機(jī)上的光學(xué)工作平臺(tái) )]!Ps` ,u  
     PEoO s  
    為了簡(jiǎn)化操作，LASCAD™提供了復(fù)合的工程工具，如圖1所示的軟件用戶界面，可以當(dāng)作計(jì)算機(jī)上的工作平臺(tái)，用戶可以直接進(jìn)行諧振腔的設(shè)計(jì)。這樣，用戶就可以不用花費(fèi)大量的時(shí)間學(xué)習(xí)復(fù)雜的操作。 tq?lF$mM:  
     通過鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)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。 [zK|OMxoV  
     諧振腔和晶體的像散在設(shè)計(jì)過程中已經(jīng)自動(dòng)考慮了。 V# |#% 8  
     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(jì)算。 /g712\?M4  
     'bkecC  
    LASCAD™ L._I"g5 H9  
    激光工程師的有用助手 7[QU *1bk  
     er^z:1'  
    為了發(fā)展一種強(qiáng)大的諧振腔設(shè)計(jì)軟件，激光工程師們必須面對(duì)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(zhǎng)，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(shí)它與增益動(dòng)態(tài)特性、模式競(jìng)爭(zhēng)、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(jì)過程中相關(guān)特性的定量分析。 ` &|Rs  
     O1coay  
    熱效應(yīng)的有限元（FEA）分析 q~r )B}  
     )ye[R^!}  
    FEA可以用于計(jì)算激光器晶體的溫度分布、變形、應(yīng)力和機(jī)械斷裂。計(jì)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(gè)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(jì)軟件上實(shí)現(xiàn)。 Fg?Gx(g4  
     OibW8A4Z1  
    為了讓FEA能夠直接應(yīng)用于激光腔的設(shè)計(jì)，LASCAD™對(duì)重要構(gòu)型進(jìn)行FEA模型預(yù)設(shè)計(jì)，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。 Oe^3YOR#j{  
     SZ~Ti|^  
    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(duì)模擬閃光燈泵浦或者非常規(guī)的泵浦結(jié)構(gòu)時(shí)的泵浦光分布非常有用。 @ h([c  
     {Zjnf6d]  
    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。 =lS~2C  
    #18H Z4N  
    高斯光束ABCD傳輸矩陣方法 }?#<)|_5  
     $.cNY+  k  
    將FEA的結(jié)果應(yīng)用到ABCD傳輸矩陣，溫度分布，以及溫度相關(guān)的折射率函數(shù)，在垂直光軸方向進(jìn)行拋物線擬合，結(jié)果如圖4所示。在擬合過程中，有限元網(wǎng)格在沿著晶體軸和垂直的方向上又進(jìn)行劃分。用同樣的方法可以完成晶體端面變形的擬合。對(duì)于很多結(jié)構(gòu)，例如端面泵浦的晶體棒，上述擬合近似可以得到的激光模式的可靠解。 c}Y(Myd  
    >ALU}o/  
    為了查看ABCD傳輸矩陣的結(jié)果，沿著諧振腔軸向的基模光斑尺寸以及高階模的厄米-高斯多項(xiàng)式都會(huì)顯示出來。在晶體內(nèi)部，泵浦光與激光橫模之間的疊加也可以直接顯示，如圖1中所示。為考慮像散的影響，與腔軸垂直的兩個(gè)平面同時(shí)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于駐波腔，可以基于產(chǎn)生g參數(shù)的諧振腔穩(wěn)定性圖，結(jié)果如圖5所示。計(jì)算得到的高斯模式以及吸收泵浦功率的密度分布可以用來分連續(xù)波激光和激光的瞬態(tài)過程。 x'; 6  
    oGly|L>  
    CW激光特性 95aa  
     T%KZV/  
    連續(xù)波運(yùn)轉(zhuǎn)的激光可以直接分析。它可以計(jì)算基模光的輸出功率以及近似得到多模運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的輸出功率。通過對(duì)整個(gè)晶體進(jìn)行迭代積分，可以得到與時(shí)間無關(guān)的三維激光速率方程的解。圖6是一個(gè)端面泵浦Nd3+：YAG棒的例子。圓圈表示模擬結(jié)果，綠色三角是測(cè)量結(jié)果。具體過程參見“結(jié)果驗(yàn)證”的段落。 Us M|OH5k  
    r`i<XGPJ%  
    激光瞬態(tài)特性 u=jF\W9  
     7<AHQ<#@  
    為了分析激光的瞬態(tài)特性，LASCAD™提供了多模以及調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)多模分析（DMA）工具。為此，LASCAD采用有限元求解工具來求解與時(shí)間相關(guān)的速率方程組，其中包含了描述各個(gè)模式（預(yù)定義的高斯橫向本征模）光子數(shù)的方程。這種方法可以提供模式競(jìng)爭(zhēng)、功率輸出、光束質(zhì)量和脈沖形狀的詳細(xì)信息。模擬結(jié)果被證明與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果吻合得很好，具體參見下面的“結(jié)果驗(yàn)證”的段落。 AGn:I??  
    動(dòng)態(tài)模式分析（DMA）可以提供以下重要功能： Gk8"fs  
     高重頻或者單脈沖調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)激光器輸出脈沖形狀以及輸出功率隨時(shí)間變化曲線 5P -IZ8~$  
     調(diào)Q或者CW運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)激光器不同橫模的輸出功率 ]o_Z3xXUa  
     調(diào)Q或者CW運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)激光器的光束質(zhì)量因子M2 4/S 4bk*8  
     硬邊以及高斯光欄對(duì)光束質(zhì)量的影響 j.sxyW?3  
     高斯以及超高斯型反射輸出鏡 EkEM|<GNd  
    圖7給出了通過DMA得到的輸出功率隨時(shí)間變化的曲線。由于計(jì)算起始點(diǎn)時(shí)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)密度N(x,y,z,t=0)=0，可以看到初始時(shí)的尖峰脈沖序列，然而隨著時(shí)間的增加，其逐漸衰減并且最終趨于常數(shù)值。圖8是一個(gè)典型的DMA脈沖形狀。 q+3Z3v