LASCAD-激光諧振腔設(shè)計(jì)軟件

1、LASCAD- 激光諧振腔設(shè)計(jì)軟件LASCAD 介紹 ?計(jì)算機(jī)上的光學(xué)工作平臺(tái) ?激光諧振腔分析與設(shè)計(jì)工具 ?教學(xué)工具LASCAD 計(jì)算機(jī)上的光學(xué)工作平臺(tái)盡管 LASCAD 提供復(fù)雜的工程工具，它的一個(gè)基本原則是創(chuàng)造一個(gè)容易使用的 程序。它提供了一個(gè)程序化用戶界面，可作為 PC 上的光學(xué)工作臺(tái)，用于激光 諧振器的直觀設(shè)計(jì)。 這樣人們就可以在實(shí)驗(yàn)室或交流會(huì)上了解實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而不 需花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間去看復(fù)雜的說(shuō)明書(shū)或者鍵入大量數(shù)字：?光學(xué)元件如平面鏡、透鏡、或晶體可以用單擊鼠標(biāo)來(lái)加入、合并、拉動(dòng)、調(diào) 整、或消除?全面考慮了諧振器和晶體的象散現(xiàn)象? 有限元分析、 ABCD 矩陣及波動(dòng)光學(xué)編碼可以在菜單條中

2、選擇LASCAD 激光腔體分析與設(shè)計(jì)工具LASCAD 激光腔體分析與設(shè)計(jì)工具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(guò) 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， FEA 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(méi)有 在其他任何一款商用激光設(shè)計(jì)軟件上實(shí)現(xiàn)。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(pán)狀激光器。多種材 料或 者摻雜的晶體也有

3、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(guò)解析 式添加到模型中去。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。ABCD 高斯光束傳播代碼LASCAD 提供一個(gè)開(kāi)放的圖形語(yǔ)言，可以將

4、泵浦光的分布，邊界狀態(tài)和 FEA 結(jié)果利用復(fù)雜的 2D 和 3D 圖形工具形象化。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。在擬合過(guò)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。激光模式的可靠解。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(lái)。 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。為考慮 像散的影響，與腔軸

5、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)定性獲得圖表。計(jì)算激光器功率輸出可通過(guò)高斯光束模型以及吸收泵浦功率的密度計(jì)算得出， 同時(shí)方便分析連續(xù)波激光和激光的瞬態(tài)過(guò)程。 通過(guò)晶體的軸線可以直觀的看到 激光器模型與泵浦光束的重疊。物理光學(xué)方法在拋物線近似以及 ABCD 傳輸矩 陣精度不夠的情況下， FEA 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(zhǎng)模擬光束在具有熱畸變的晶體中傳播過(guò) 程。在計(jì)算過(guò)程中， BPM 考慮了

6、 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(jì)算了光束在諧振腔中多次往返傳 輸，最終收斂于基模或者多個(gè)高階橫模的疊加。在計(jì)算的過(guò)程中有兩個(gè)圖形窗 口是打開(kāi)的，一個(gè)給出了隨著迭代次數(shù)的增加， 輸出鏡上的光強(qiáng)分布，另一個(gè) 窗口顯示了隨著諧振腔內(nèi)迭代的進(jìn)行，光斑的尺寸收斂過(guò)程以及同步計(jì)算的輸 出功率。 另外，還可以打開(kāi)一個(gè)顯示光束質(zhì)量的窗口。 BPM 方法還可以進(jìn)行 腔內(nèi)本征模譜線的計(jì)算以及本征橫模的形狀計(jì)算。鑒于光欄以及腔反射鏡尺寸有限， BPM 工具還考慮了增益的動(dòng)態(tài)特性以及衍 射效應(yīng)， 這樣它比 DMA 的計(jì)算更接近實(shí)際情況。 BPM 另一

7、個(gè)重要的特征就 是它可以模擬諧振腔失調(diào)效應(yīng)。激光瞬態(tài)特性 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(lái)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（請(qǐng)參見(jiàn) LASCAD Tutorial 4: Dynamic analysis of multimode competition and Q-Switch operation （ PDF） ）。 模擬結(jié)果被證明與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果吻合得很 好

8、（請(qǐng)參見(jiàn) "Dynamic multimode analysis of Q-switched solid state laser cavities"（ PDF） ）動(dòng)態(tài)模式分析（ DMA ）可以提供以下重要功能：1. 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。2. 調(diào) Q 或者 CW 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)激光器不同橫模的輸出功率。3. 光束分布曲線的計(jì)算作為單個(gè)橫模的疊加。4. 調(diào) Q 或者 CW 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)激光器的光束質(zhì)量因子 M2 。5. 硬邊以及高斯光欄對(duì)光束質(zhì)量的影響。6. 高斯以及超高斯型反射輸出鏡。LASCAD 激光教學(xué)輔助工具盡管 LASC

9、AD? 主要是為激光工程開(kāi)發(fā)的，但是其易于操作的用戶界面使得它 非常適合于教學(xué)以及培訓(xùn)科學(xué)工作者和工程師。 高斯光束的基本原理可以在使 用過(guò)程中得到學(xué)習(xí)，復(fù)雜的諧振腔結(jié)構(gòu)構(gòu)型，包括熱透鏡效應(yīng)，光欄，調(diào) Q 等 都可 以清楚地進(jìn)行演示。LASCAD 結(jié)果驗(yàn)證及展望德國(guó)凱澤斯勞滕大學(xué) R. Wallenstein 教授領(lǐng)銜的激光小組多年來(lái)一直使用這款 軟件進(jìn)行具有復(fù)合晶體高功率二極管泵浦激光器的分析設(shè)計(jì)與優(yōu)化。 他們一系 列的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果已經(jīng)驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性非常高，參見(jiàn)圖6。 目前LAS-CAD 公司已經(jīng)參與到政府支持的研究項(xiàng)目：Simulation and Optimization of

10、Innovative Laser Systems 。在該項(xiàng)目中 LAS- CAD 公司與 7 家德國(guó)的激光器制造商、艾爾蘭根大學(xué)、德國(guó)古庭根激光實(shí)驗(yàn) 室等合作， 開(kāi)發(fā)新的諧振腔數(shù)值模擬工具。其中一個(gè)最新的合作成果就是前面 已經(jīng)提到的 DMA 。DMA 模擬得到的數(shù)值結(jié)果已經(jīng)被參與合作的德國(guó) Inno Las 公司實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證， 參見(jiàn)文章 Dynamic multimode analysis of Q-switched solid state laser cavities in Optics Express, Vol. 17,17303 -17316 (2009)。 該項(xiàng)目另一個(gè)研究目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一種

11、FEA 方法為諧振腔內(nèi)的電磁場(chǎng)方程提供一個(gè)動(dòng)態(tài)的 三維解。初步結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在 Photonics West 2009 ， 具體參見(jiàn) Finite element simulation of solid state laser resonators in Proceedings of SPIE Vol. 7194-16 (2009) 。LASCAD 功能LASCAD 三大基本思想?計(jì)算機(jī)上的光學(xué)工作平臺(tái) ?激光諧振腔分析與設(shè)計(jì)工具 ? 教學(xué)工具LASCAD 計(jì)算機(jī)上的光學(xué)工作平臺(tái)盡管 LASCAD 提供復(fù)雜的工程工具，它的一個(gè)基本原則是創(chuàng)造一個(gè)容易使用的 程序。它提供了一個(gè)程序化用戶界面，可作為

12、 PC 上的光學(xué)工作臺(tái)，用于激光 諧振器的直觀設(shè)計(jì)。 這樣人們就可以在實(shí)驗(yàn)室或交流會(huì)上了解實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而不 需花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間去看復(fù)雜的說(shuō)明書(shū)或者鍵入大量數(shù)字：?光學(xué)元件如平面鏡、透鏡、或晶體可以用單擊鼠標(biāo)來(lái)加入、合并、拉動(dòng)、 調(diào)整、或消除?全面考慮了諧振器和晶體的象散現(xiàn)象? 有限元分析、 ABCD 矩陣及波動(dòng)光學(xué)編碼可以在菜單條中選擇LASCAD 激光腔體分析與設(shè)計(jì)工具 熱效應(yīng)的有限元( FEA )分析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(guò) 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

13、導(dǎo)方程。雖然在其他許 多工 程領(lǐng)域， FEA 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(méi)有 在其他任何一款商用激光設(shè)計(jì)軟件上實(shí)現(xiàn)。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(pán)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(guò)解析 式添加到模型中去。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， LASCA

14、D? 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。LASCAD 提供一個(gè)開(kāi)放的圖形語(yǔ)言，可以將泵浦光的分布，邊界狀態(tài)和 FEA 結(jié)果利用復(fù)雜的 2D 和 3D 圖形工具形象化。ABCD 高斯光束傳播代碼LASCAD 提供一個(gè)開(kāi)放的圖形語(yǔ)言，可以將泵浦光的分布，邊界狀態(tài)和 FEA 結(jié)果利用復(fù)雜的 2D 和 3D 圖形工具形象化。將 FEA 的結(jié)果應(yīng)用到 ABCD 傳輸矩陣，溫度分布， 以及溫

15、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。在擬合過(guò)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。激光模式的可靠解。 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(lái)。 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。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)定性獲得圖表。 計(jì)算激光器功率輸出可通過(guò)高斯光束模型以及吸

16、收泵浦功率的密度計(jì)算得出， 同時(shí)方便分析連續(xù)波激光和激光的瞬態(tài)過(guò)程。 通過(guò)晶體的軸線可以直觀的看到激光器模型與泵浦光束的重疊。物理光學(xué)方法在拋物線近似以及 ABCD 傳輸矩 陣精度不夠的情況下， FEA 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(zhǎng)模擬光束在具有熱畸變的晶體中傳播 過(guò)程。在計(jì)算過(guò)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(jì)算了光束在諧振腔中多次往返

17、傳輸，最終收斂于基?；蛘叨鄠€(gè)高階橫模的疊加。在計(jì)算的過(guò)程中有兩個(gè)圖形 窗口是打開(kāi)的，一個(gè)給出了隨著迭代次數(shù)的增加， 輸出鏡上的光強(qiáng)分布，另一 個(gè)窗口顯示了隨著諧振腔內(nèi)迭代的進(jìn)行，光斑的尺寸收斂過(guò)程以及同步計(jì)算的 輸出功率。 另外，還可以打開(kāi)一個(gè)顯示光束質(zhì)量的窗口。 BPM 方法還可以進(jìn) 行腔內(nèi)本征模譜線的計(jì)算以及本征橫模的形狀計(jì)算。鑒于光欄以及腔反射鏡尺寸有限， BPM 工具還考慮了增益的動(dòng)態(tài)特性以及衍 射效應(yīng)，這樣它比 DMA 的計(jì)算更接近實(shí)際情況。 BPM 另一個(gè)重要的特征就是 它可以模擬諧振腔失調(diào)效應(yīng)。激光瞬態(tài)特性動(dòng)態(tài)模式分析（ DMA ）可以提供以下重要功能：1. 高重頻或者單脈沖調(diào)

18、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。2. 調(diào) Q 或者 CW 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)激光器不同橫模的輸出功率。3. 光束分布曲線的計(jì)算作為單個(gè)橫模的疊加。4. 調(diào) Q 或者 CW 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)激光器的光束質(zhì)量因子 M2。5. 硬邊以及高斯光欄對(duì)光束質(zhì)量的影響。6. 高斯以及超高斯型反射輸出鏡。LASCAD 激光教學(xué)輔助工具盡管 LASCAD? 主要是為激光工程開(kāi)發(fā)的，但是其易于操作的用戶界面使得它 非常適合于教學(xué)以及培訓(xùn)科學(xué)工作者和工程師。高斯光束的基本原理可以在使 用 過(guò)程中得到學(xué)習(xí)， 復(fù)雜的諧振腔結(jié)構(gòu)構(gòu)型，包括熱透鏡效應(yīng)，光欄，調(diào) Q 等都可 以清楚地進(jìn)行演示。LASCAD 結(jié)果驗(yàn)證及展望 德國(guó)凱澤斯勞滕大學(xué) R. Wallenstein 教授領(lǐng)銜的激光小組多年來(lái)一直使