目錄

1. 運行LASCAD并定義泵浦光分布1

2. 用EFA定義邊界條件3

3. 選項定義控制FEA4

4. FEA結果顯示5

5. FEA結果拋物線擬合6

6. 在模式中插入熱透鏡7

7. 激光功率輸出計算8 

 

1．運行LASCAD并定義泵浦光分布

運行LASCAD，從路徑C:Program FilesLASCADTutorials中打開tutorial-3.lcd，用“shrink-stretch”工具拉伸模式圖，直到看到黃色的熱透鏡形狀。熱透鏡只有0.12mm，因此需要拉伸其長度。

選擇主菜單“FEA-Parameter Input & FEA code”，打開“Crystal ,Pump Beam and Material Parameters ”窗口，該窗口有6個標簽。“Models”標簽顯示了LASCAD提供的預定義模式，如圖1所示。在這個教程中，模式Cylindrical rod with top hat 已經被勾選，該模式表示吸收泵浦光強分布在熱透鏡軸方向為近似平頂（也稱為常數）分布。

 

圖1.定義泵浦棒

 

選擇’Pump Light’標簽，如圖2所示，該標簽用于定義泵浦功率密度。在這個模式下，我們必須事先知道總的吸收泵浦功率。總的吸收功率為500W。垂直于薄片軸的泵浦功率用超高斯函數定義，如help=>Pump Light-Top Hat Pump Light Distribution in Axis Direction。光斑的大小等于分布半徑。超高斯指數增大到一定程度后，截面分布接近平頂分布。可以點擊“Show Pump Profile”來查看截面圖。我們甚至可以從這個截面圖中減去一定百分比被吸收的泵浦光功率。

 

圖2.定義泵浦光

 

2.用EFA定義邊界條件

 

如圖所示，選擇“Boundaries”來定義邊界條件。假設在（z=0）處的晶體面與固體接觸時為常溫，當然我們也可以勾選流體冷卻。假設固體溫度為293K。在3能級系統中，我們一般都采用開氏溫度。參考溫度是用來計算晶體熱畸變，對應于晶體的初始溫度。

 

圖3.定義邊界條件

 

在本次結構設計中不使用Doping & Mats 標簽。

 

3.選項定義控制FEA

選擇“FEA Options”，定義網格參數，收斂判據和最大迭代次數。可以參考幫助手冊查找更詳細的信息。我們可以保持現有條目值不變。基于現有網格大小，推薦使用700MB RAM。要得到關于畸變的準確結果，現案例的結果非常小，我們可以將沿著x，y方向的網格降低到0.06，但是最低就需要1024MB RAM來得到這樣精確的網格。

 

圖4.計算

 

點擊“Apply & Run FEA”開始FEA分析，彈出的Finite Element Analysis窗口顯示當前運行的迭代次數。

 

4. FEA結果顯示

FEA計算完成之后，點擊LASCAD 主菜單中“FEA-3D Visualizer” ，顯示熱負載分布，溫度分布，變形和壓力結果。圖5顯示了未冷卻處理的腔端面處的溫度分布。

 

圖5.溫度分布

在LASCAD主菜單中點選“FEA-2D Data Profiles”，打開2D Profiles & Parabolic Fit ，顯示FEA結果的二維曲線。默認條件下顯示的是溫度分布。點選窗口右上角的下拉框，可以選擇晶體z軸方向不同位置處的二維曲線，該曲線與FEA離散點有關。同時，可以沿著z軸方向滾動鼠標，查看曲線特性。

5. FEA結果拋物線擬合

在2D Profiles & Parabolic Fit 窗口中點擊Refresh &Fit，進行橫向折射率分布和變形擬合。擬合計算是沿著z軸分段計算的，由FEA離散化同時生成的。現有的網格參數，已經有10段生成。折射率分布的擬合曲線如圖6所示。

擬合曲線是在z=0.06mm處生成的。

 

圖6.拋物線擬合

 

在“Show Parab.Fit ”下拉菜單中點選Left face或者Right Face，可以看到端面處的擬合情況。端面處的擬合結果不夠精確，因為畸變很小，我們必須在x y軸方向設置更精確的網格和增加更多的迭代次數來獲得更精確的結果。但是，該設置對現有設計目標的結果不是很重要，因為很小的畸變幾乎不影響激光模式。

 

6. 在模式中插入熱透鏡

按住ALT鍵同時點擊模式圖的元件0和元件1之間的區域以插入一個棒，這時模式涂上會出現一個黃色的元件，代表熱透鏡。元件0和元件1之間的距離也被調整為晶體的長度。我們將模式圖中的熱透鏡拉伸至如圖7所示。

 

圖7.插入熱透鏡

 

7. 激光功率輸出計算

點擊主菜單Laser Power 打開Laser Power Output ，如圖8所示。

 

圖8.功率計算

 

在本例中，采用薄片激光器普遍使用的Yb:YAG材料作為激光材料。該材料也叫做準三能級材料，也就是說低能級與基態能級系統的能級間隙很小。在計算激光功率輸出時，需要考慮低能級的激光輻射吸收。

 

圖9.材料定義

 

圖10.三能級系統

 

在“Crystal, Pump Beam, and Material Parameters”窗口中打開“Material Parameters”標簽，可以顯示Yb:YAG材料的參數，如圖10所示。在圖10中已勾選“3-level-laser-system”。可以點選旁邊的“show material parameters for 3-level-systems”查看能級系統參數，如能級數，再吸收有效十字區域。

技術文件laser power.pdf中有關于激光功率輸出的理論和數學模型的講解。該技術文件可以從http://www.las-cad.com.cn/documentation.htm鏈接中下載，也可以在LASCAD安裝CD-ROM中找到。由于低能級系統的溫度依賴性，考慮當地溫度分布就很重要，即在FEA計算后得到的溫度分布。LASCAD3.6是第一個商業化的在三能級激光系統計算激光輸出功率時考慮全三維溫度分布的程序。

因為薄片激光器經常考慮多模運算，因此在圖8中我們勾選了“Multimode Operation”。為了限制模式結構的半徑，我們也勾選“Account for Apertures”工具箱。孔徑大小在“Parameters Field ”窗口的“Apertures”中定義，與泵spot的半徑近似相等。

選擇“Plot single point”，點選“Apply &plot”，計算500W吸收泵浦功率的激光輸出功率。

選擇性地，你可以選擇“Plot curve with ……grid points” ，采用預定義的20個網格點。這個計算會耗一定時間。后一個案例中，在定義X方向和Y方向的最小和最大的吸收泵浦功率分別為300W和500W。這個計算*臨界值和斜度效率，如圖8所示。

在“Laser Power Output” 窗口中選擇“Help-GUI”，或者參考LASCAD手冊里的額外信息。