指南3 如何計(jì)算Yb:YAG薄片激光器的熱透鏡和激光功率輸出？

 

目錄

1. 運(yùn)行LASCAD并定義泵浦光分布 1

2. 用EFA定義邊界條件 3

3. 選項(xiàng)定義控制FEA 4

4. FEA結(jié)果顯示 5

5. FEA結(jié)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(jì)算 8

 

 

1．運(yùn)行LASCAD并定義泵浦光分布

運(yùn)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(zhǎng)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(gè)標(biāo)簽。“Models”標(biāo)簽顯示了LASCAD提供的預(yù)定義模式，如圖1所示。在這個(gè)教程中，模式Cylindrical rod with top hat 已經(jīng)被勾選，該模式表示吸收泵浦光強(qiáng)分布在熱透鏡軸方向?yàn)榻破巾敚ㄒ卜Q為常數(shù)）分布。

 

圖1.定義泵浦棒

 

選擇’Pump Light’標(biāo)簽，如圖2所示，該標(biāo)簽用于定義泵浦功率密度。在這個(gè)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(shù)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(shù)增大到一定程度后，截面分布接近平頂分布。可以點(diǎn)擊“Show Pump Profile”來查看截面圖。我們甚至可以從這個(gè)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(shè)在（z=0）處的晶體面與固體接觸時(shí)為常溫，當(dāng)然我們也可以勾選流體冷卻。假設(shè)固體溫度為293K。在3能級(jí)系統(tǒng)中，我們一般都采用開氏溫度。參考溫度是用來計(jì)算晶體熱畸變，對(duì)應(yīng)于晶體的初始溫度。

 

圖3.定義邊界條件

 

在本次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不使用Doping & Mats 標(biāo)簽。

 

3.選項(xiàng)定義控制FEA

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

 

圖4.計(jì)算

 

點(diǎn)擊“Apply & Run FEA”開始FEA分析，彈出的Finite Element Analysis窗口顯示當(dāng)前運(yùn)行的迭代次數(shù)。

 

4. FEA結(jié)果顯示

FEA計(jì)算完成之后，點(diǎn)擊LASCAD 主菜單中“FEA-3D Visualizer” ，顯示熱負(fù)載分布，溫度分布，變形和壓力結(jié)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(diǎn)選“FEA-2D Data Profiles”，打開2D Profiles & Parabolic Fit ，顯示FEA結(jié)果的二維曲線。默認(rèn)條件下顯示的是溫度分布。點(diǎn)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(diǎn)有關(guān)。同時(shí)，可以沿著z軸方向滾動(dòng)鼠標(biāo)，查看曲線特性。

5. FEA結(jié)果拋物線擬合

在2D Profiles & Parabolic Fit 窗口中點(diǎn)擊Refresh &Fit，進(jìn)行橫向折射率分布和變形擬合。擬合計(jì)算是沿著z軸分段計(jì)算的，由FEA離散化同時(shí)生成的。現(xiàn)有的網(wǎng)格參數(shù)，已經(jīng)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(diǎn)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(jié)果不夠精確，因?yàn)榛兒苄。覀儽仨氃趚 y軸方向設(shè)置更精確的網(wǎng)格和增加更多的迭代次數(shù)來獲得更精確的結(jié)果。但是，該設(shè)置對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)目標(biāo)的結(jié)果不是很重要，因?yàn)楹苄〉幕儙缀醪挥绊懠す饽Ｊ健?/p>

 

6. 在模式中插入熱透鏡

按住ALT鍵同時(shí)點(diǎn)擊模式圖的元件0和元件1之間的區(qū)域以插入一個(gè)棒，這時(shí)模式涂上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)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(diào)整為晶體的長(zhǎng)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(jì)算

點(diǎn)擊主菜單Laser Power 打開Laser Power Output ，如圖8所示。

 

圖8.功率計(jì)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(zhǔn)三能級(jí)材料，也就是說低能級(jí)與基態(tài)能級(jí)系統(tǒng)的能級(jí)間隙很小。在計(jì)算激光功率輸出時(shí)，需要考慮低能級(jí)的激光輻射吸收。

 

圖9.材料定義

 

圖10.三能級(jí)系統(tǒng)

 

在“Crystal, Pump Beam, and Material Parameters”窗口中打開“Material Parameters”標(biāo)簽，可以顯示Yb:YAG材料的參數(shù)，如圖10所示。在圖10中已勾選“3-level-laser-system”。可以點(diǎn)選旁邊的“show material parameters for 3-level-systems”查看能級(jí)系統(tǒng)參數(shù)，如能級(jí)數(shù)，再吸收有效十字區(qū)域。

技術(shù)文件laser power.pdf中有關(guān)于激光功率輸出的理論和數(shù)學(xué)模型的講解。該技術(shù)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(jí)系統(tǒng)的溫度依賴性，考慮當(dāng)?shù)販囟确植季秃苤匾丛贔EA計(jì)算后得到的溫度分布。LASCAD3.6是第一個(gè)商業(yè)化的在三能級(jí)激光系統(tǒng)計(jì)算激光輸出功率時(shí)考慮全三維溫度分布的程序。

因?yàn)楸∑す馄鹘?jīng)常考慮多模運(yùn)算，因此在圖8中我們勾選了“Multimode Operation”。為了限制模式結(jié)構(gòu)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(diǎn)選“Apply &plot”，計(jì)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(yù)定義的20個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)。這個(gè)計(jì)算會(huì)耗一定時(shí)間。后一個(gè)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(gè)計(jì)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(cè)里的額外信息。