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高能密度物理系列仿真软件(High-density Simu

经过了26 年的发展,LASCAD™已经成为激光谐振腔分析与设计(Laser Cavity Analysis and Design)行业的领军软件。大量的用户群体反馈的意见和建议帮助我们更好地提高谐振腔的设计技术并且积累了很多经验。
       数值分析腔中光场与温度无关的折射率分布、吸收泵浦功率分布、掺杂分布、粒子数反转等热效应的三维非线性相互作用,对于优化SSL系统具有重要意义。基于个人经验的直观方法仍然很重要,但由于弹性系统小型化和同时增加其功率输出的趋势,导致很小体积的强场相互作用,这一方法还不够。为了模拟激光腔中复杂的相互作用,LASCAD软件将必要的模拟工具集成到一个软件包中。基于对激光腔中多物理效应的定量理解,LASCAD允许激光工程师优化类激光光束质量和激光功率输出的重要特性。
      
    LASCAD的主要定位:
  • PC上的光学工作台
  • 激光工程工具
  • 教育工具
 
一个易于使用和清晰组织的用户界面允许直观的建模和设计激光腔。它有助于工程师了解试验结果,而不会浪费宝贵的时间研究复杂的手册:
  1. 光学元件,如镜子、透镜和晶体,可以通过鼠标点击添加、组合、定位、调整或移除
  2. 自动分析谐振器和晶体的像散
  3. 有限元分析、ABCD、DMA和物理光学代码可以从菜单栏轻松启动
 
为了优化谐振腔的设计,LASCAD™提供了一套独特的模拟工具的集合:
  • 热性能与腔体结构的有限元分析(FEA)方法对腔内晶体的热效应进行分析。
  • ABCD高斯光束传输矩阵,包括热透镜效应和增益导引机制的分析。
  • 多模与调Q 运行的动态分析(DMA)方法,分析激光光束的动态特性以及三维空间中的特性。 
  • 3D物理光学传输矩阵(BPM),包括了衍射与增益的动态特性。
  • 计算激光输出功率和光束质量。

热效应的有限元(FEA)分析
FEA 可以用于计算激光器晶体的温度分布、变形、应力和机械断裂。计算过 程中需要考虑材料的参数、泵浦构型以及冷却结构等。FEA 是技术物理领域中一 种众所周知的求解差分方程的数值方法,例如,热传导方程。虽然在其他许多工 程领域,FEA 得到广泛的成功应用并且是一个不可或缺的方法,但是目前还没有 在其他任何一款商用激光设计软件上实现。
为了让FEA 能够直接应用于激光腔的设计,LASCAD™对重要构型进行FEA模型预设计,例如,端面或者侧面泵浦的棒状、条状以及盘状激光器。多种材料或 者掺杂的晶体也有相关的模型,例如未掺杂的端面镜。用户可以自定义尺寸、FEA 网格、边界条件以及模型中的其他参数。与温度相关的材料参数也可以通过解析 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数的解析近似表达式进行表 征。为了实现吸收泵浦光的数值建模,LASCAD™支持从ZEMAX和TracePro的光线追迹程序导入数据。这些程序可以生成吸收泵浦功率密度的三维数据,可以直接导 入到LASCAD™中。ZEMAX 和TracePro对模拟闪光灯泵浦或者非常规的泵浦结构时 的泵浦光分布非常有用。
 
高斯光束ABCD传输矩阵方法
将 FEA的结果应用到ABCD传输矩阵,温度分布,以及温度相关的折射率函数,在垂直光轴方向进行抛物线拟合,结果如图4所示。在拟合过程中,有限元 网格在沿着晶体轴和垂直的方向上又进行划分。用同样的方法可以完成晶体端面变形的拟合。对于很多结构,例如端面泵浦的晶体棒,上述拟合近似可以得到的激光模式的可靠解。ABCD传输矩阵的结果,沿着谐振腔轴向的基模光斑尺寸以及高阶模的厄米-高斯多项式都会显示出来。
 
CW激光特性
连续波运转的激光可以直接分析。它可以计算基模光的输出功率以及近似得到多模运转时的输出功率。通过对整个晶体进行迭代积分,可以得到与时间无关的三维激光速率方程的解。
 
激光瞬态特性
为了分析激光的瞬态特性,LASCAD™提供了多模以及调Q运转的动态多模分析(DMA)工具。为此,LASCAD采用有限元求解工具来求解与时间相关的速率方程组,其中包含了描述各个模式(预定义的高斯横向本征模)光子数的方程。这种方法可以提供模式竞争、功率输出、光束质量和脉冲形状的详细信息。模拟结果被证明与实验测量结果吻合得很好,具体参见下面的“结果验证”的段落。动态模式分析(DMA)可以提供以下重要功能:
  • 高重频或者单脉冲调Q运转时激光器输出脉冲形状以及输出功率随时间 变化曲线。 
  • 调 Q或者CW 运转时激光器不同横模的输出功率。 
  • 调 Q或者CW 运转时激光器的光束质量因子M2。 
  • 硬边以及高斯光栏对光束质量的影响。 
  • 高斯以及超高斯型反射输出镜。
 
物理光学方法
在抛物线近似以及ABCD 传输矩阵精度不够的情况下,FEA 的结果可以导入到物理光学代码中进行高精度运算。物理光学方法可以在不用抛物线近似的情况下为光束在晶体中的传播提供全景三维模拟。为此,物理光学方法采用了分步光束传播方法(BPM),以小步长模拟光束在具有热畸变的晶体中传播过程。在计算过程中,BPM考虑了FEA分析中得到的局部折射率分布以及晶体端面形变。采用Fox-Li迭代,BPM方法计算了光束在谐振腔中多次往返传输,最终收敛于基模或者多个高阶横模的叠加。在计算的过程中有两个图形窗口是打开的,一个给出了随着迭代次数的增加,输出镜上的光强分布,如图9 所示。另一个窗口显示了随着谐振腔内迭代的进行,光斑的尺寸收敛过程以及同步计算的输出功率,如图10所示。另外,还可以打开一个显示光束质量的窗口。BPM方法还可以进行腔内本征模谱线的计算以及本征横模的形状计算。

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