LASCAD 为优化谐振器设计提供多物理成分模拟

楚韵风 · 发表于 2003-4-13 18:26:00

LASCAD 为优化谐振器设计提供多物理成分模拟

分析复杂的、多物理成分的热及光场的相互影响，在固体激光中通常视为热透镜效应，这种效应对激光模拟软件来说是一个必不可少的一个项目。这套LASCAD是市场上首先问世的把所有模拟工具集成一体的软件。

LASCAD 可提供如下：

l热的和结构的有限单元分析
l高斯 ABCD 算法
l波光码
l数值的特征模分析

LASCAD – PC上的工作台

尽管LASCAD提供复杂的工程工具，它的一个基本原则是创造一个容易使用的程序。在图1中显示的本软件的图形化的用户信息交换界面可作为一个在PC上的光学工作台，用于激光谐振器的直观设计。这样LASCAD可以帮助人们在实验室和交流会中了解实验结果而不需花费很长时间研究复杂的说明书并键入大量数字：

l光学元件如平面镜、透镜、或晶体可以用鼠标的单次敲击被加入、合并、拉动、调整、或消除。
l用鼠标或键入输入值可以修改参数
l谐振器和晶体的象散现象全部考虑在其中
l有限元分析、ABCD及波光码可以在菜单条中选择开始

LASCAD – 激光工程工具

热透镜效应变得越来越重要，因为这种激光系统的小型化同时又要求增加它的输出功率的趋势使得在很小的体积里有强场的3维相互影响。这种影响很大程度上取决于材料参数、谐振器几何形状、泵射线的分布、以及冷却布局。这种影响可改变增益导向及其它以复杂方式控制射线质量和效率的效果。LASCAD为激光工程师提供了对这些效果的数字化模拟的能力，不仅仅在搭制繁复的硬件之前，而且在系统特征化的过程中不断了解系统。

有限单元分析（FEA）用于计算在激光晶体中的温度分布、变形、张力或机械断裂，并且分析不同冷却布局的效果。尽管有限单元分析经常在其它工程领域内使用，但是对激光技术来说它比较陌生。为了激光工程师能利用有限单元分析，LASCADTM为多种构型，如前、侧位泵棒及块或薄片激光体，设计了有限单元分析模型。借用LASCAD TM2.5最新自动网状化算法，现在对不同材料生成的晶体、或在无添加剂尾端推出进一步的模型。这些模型的尺寸、有限元网状化、边缘条件及其它参数都可以由用户灵活调整。应用户要求，可加入温度对材料参数的分析公式，泵光分布可以由使用超高斯方程进行分析地接逼近。为启动所需泵光的数据化模型，如闪灯泵激光器，lambda Reseanch 公司的Tracepro，一种与光纤追踪程序的接口正在准备之中。吸收能密度在图形上可直观看到，有限元分析及泵光分布和边界条件可用基于CpenGL的三维视觉器看到。图2a和2b是画出的对一只前面泵出的圆柱形棒的温度分布和变形图。图3a和到3c分别在一直侧面泵出的棒的展示了泵光和温度分布，以及张力的zz-元素。对其它物型的进一步的模型，如后板模型正在开发中。
有限单元分析（FEA）的结果与ABCD矩阵码或波光码一起使用。
当把有限元分析（FEA）的结果与ABCD矩阵码一起使用，温度分布于温度折射指数的依赖性的乘积可以与使用有限元网状化学区域的光轴在角上进行抛物线型吻合。见图4。同样方法，晶体变形前面的吻合随之而来。对许多构型来说，例如前方泵出的棒，这种近似是好的，并可得出激光膜的可靠的结果。ABCD矩阵码记过的直观化，基本膜的大小及相位沿谐振前方曲线可以看到。然而还有可选择的以显示高阶赫米——高斯多项式。ABCD矩阵码使用复杂值得矩阵，这些矩阵允许把抛物线增益系数考虑在其中。另外，它还把象散现象全部考虑进去了。因此，计算是在两个垂直于谐振器轴的两个平面上同时进行的。
但是抛物线近似和ABCD矩阵码并非总是充足。在这些情况下，对一波光码有限单元分析的结果便可轮流用于输入。波光码为一个传播波前方具有热的，由热造成变形的晶体提供3维模拟，无需使用抛物线近似。以此目的，传播波前方以小的步伐穿越晶体，参考折射指数的横向分布，即从有限元分析所得的晶体正面的变形。根据FOX和LI的原理，一系列的双程穿越谐振器得到计算，他们最终收敛于基频或横向膜的高级叠加。比较计算两个被打开的图示窗，一个显示出当它发展到多次重复时的外部耦合镜的强度轮廓，另一个显示了用叠带腔的点汇聚的大小，见图5。另外光波码还把因光停止和有限横向镜延伸引起的衍射效果考虑进来。对局部有变化的镜体也在考虑之中，波光码的进一步重要的特征是用ABCD矩阵码难以得到满意结果的模拟失准效果。增益分布在利用谐振器的总体损失的全部能量平衡的基础上被考虑在其中。详尽对饱和增益分布包括激光体动态的数据描述正在开发之中。
在计算完成后，外部耦合镜的强度和相位便可用于图像展示，同时用来进行数据评价为光束质量提供重要信息。在谐振器建成后该信息可用来与波阵面测量进行比较。图6a和6b展示的例子是在外部耦合镜的强度和相位。波光码还能数字化地计算谐振器的特征值的光（频）谱，以及横切面的特征模的形状。图7是一个较高阶Hermite—高斯膜的例子。
波光码在LASCAD的菜单中很容易启动，并且能自动启用以为ABCD矩阵码定义的光学元素。
激光光束通过光学系统外部腔的传播由使用ABCD矩阵码来进行，但这种能力正在为波光码实现。
LASCAD——教学工具
尽管最初是为激光工程所设计，简单易用的LASCAD的图形用户界面可以理想地用于学生、实习科学家与工程师的教学。高斯光束光学的原理可以这样交流地学习。复杂多相的谐振器构造的习性或由热引起的透镜和增益引导综合效果可以一种直觉的方式演示出来。
结果与前景的证明
进一步的LASCAD研究项目今后3年的开发，已由Bavarian Research基金会资助进行。这一项目的主要目标是模拟激光体的动态以及模拟结果实验性验证。为此目的，LAS—CAD GmbH与德国大学和重要的激光公司，如：ROFIN SINAR，JENOPTIK，LAOSO，AZURA LASER，及LDT激光显示技术公司合作。
Richard Wallenstein教授在德国的Kaiserslantern大学的激光组已使用该程序两年，用于分析和优化在二极管泵高能10-12秒激光体积放大器的晶体组成。详细的系列测量已经做出。它仔细地选择了激光参数，并高水平地验证了模拟结果（S. reuter, R. knappe, R. Wallenstein 和 K. Altmann, Pro. DPV(VI)35(2000)）。LDT激光显示公司和JENOPTIK 公司已成功地使用LASCAD为SHG的生成很长折叠式谐振器并且测量与模拟十分吻合。EAD德国公司激光分部已使用该程序3年,并且在建造激光系统中非常欣赏 LASCAD 的帮助。
为推动模拟模型与物理系统测量的比较，LAS—CAD公司和Wavefront Sciences、Albuquerque NM、美国正在合作开发简易LASCAD与WaveFront Sciences完整光分析系统间的数据转换。这两种光学工具的组合，提供给光学工程师进行模拟、组建及验证设计与模型表现所需的一切工具。
有关进一步LASCAD的状况可在http：//www。Las-cad。Com上查找。该网页提供演示版本，LASCAD导游，以及可下载的说明书，一片关于LASCAD的文章“模拟软件挑战激光谐振器的设计”看登在2000年5月Laser Fous World上。

annespring · 发表于 2005-3-7 23:07:00

哪里能下载这个软件？

LASCAD 为优化谐振器设计提供多物理成分模拟

发表回复

浏览过的版块


热搜: 防雾膜棒料红外反射膜光电二极管镀膜机反射膜光谱仪光电探头真空镀银滤光片光器件应用光学 zemax激光远心镜头 sio2 增透膜离子源栅网 zemax 论文高反膜半反半透膜