熱透鏡效應(yīng)分析
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2026-01-04
熱透鏡效應(yīng)分析的實(shí)例教程
在許多激光器或放大器設(shè)備中，熱透鏡起著重要的作用，因此應(yīng)該在數(shù)值模擬中加以考慮。
在本文中，我首先簡(jiǎn)要描述了熱透鏡的來(lái)源，然后向您展示如何在我們的軟件中處理這種效應(yīng)。
什么是熱透鏡？
當(dāng)激光增益介質(zhì)(例如激光晶體)被泵浦時(shí)，通常會(huì)產(chǎn)生一些熱量，這些熱量隨后需要通過(guò)熱傳導(dǎo)帶走。因此不可避免地會(huì)在增益介質(zhì)中形成溫度梯度。形成激光的熱透鏡效應(yīng)與以下物理機(jī)制相關(guān):
折射率與溫度相關(guān)。
晶體內(nèi)部的機(jī)械應(yīng)力也會(huì)改變折射率(光彈性效應(yīng))。
此外，機(jī)械應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致端面凸出，使激光晶體具有透鏡的形狀。
在一般情況下，首先提到的影響因素往往是最主要的。下圖顯示了一般情況下數(shù)值計(jì)算的溫度曲線。
圖1:模擬端面泵浦Nd:YAG棒的橫向泵浦強(qiáng)度分布(紅色)和熱分布(藍(lán)色)。溫度分布僅在晶體中心附近近似為拋物線，因此光束半徑等于泵浦光束半徑的激光模式將產(chǎn)生一些像差。
諧振腔設(shè)計(jì)中的熱透鏡效應(yīng)
我們的諧振器設(shè)計(jì)軟件RP Resonator基于ABCD矩陣算法計(jì)算激光諧振腔的模式特性。(準(zhǔn)確地說(shuō)，它使用一種擴(kuò)展矩陣(ABCDEF矩陣)來(lái)處理錯(cuò)位影響，但這與我們的上下文無(wú)關(guān)。)
這里，只能處理拋物線形狀的透鏡效應(yīng)，即沒(méi)有球差的透鏡效應(yīng)。軟件可以很容易地定義熱透鏡效應(yīng)的分布，例如，激光晶體被定義為一個(gè)“棱鏡”，因此可以指定參數(shù)n2，它是折射率的徑向相關(guān)性的二階系數(shù):n(r)= n0-0.5n2r2 。 這個(gè)參數(shù)可以簡(jiǎn)化為熱透鏡的屈光度除以晶體長(zhǎng)度。 屈光度可以從別處得知，或者至少在簡(jiǎn)化的情況下，可以用簡(jiǎn)單的公式從耗散功率密度計(jì)算出。 一種常見的情況是提供一根至少在激光束體積內(nèi)被均勻泵浦的圓柱形棒。
原則上，也可以將具有一定屈光力的薄透鏡插入到激光晶體的左側(cè)或右側(cè)，或者當(dāng)將激光晶體分成兩部分時(shí)，插入到激光晶體的中間。
展開 在許多激光或放大器器件中，熱透鏡效應(yīng)起著重要的作用，因此在數(shù)值模擬中需要考慮熱透鏡效應(yīng)。在這篇文章中，我們首先簡(jiǎn)要描述熱透鏡的起源，然后向您展示如何在我們的軟件中處理這種效果。
什么是熱透鏡?
光晶體)被泵浦時(shí)，通常會(huì)產(chǎn)生一些熱量，這些熱量隨后需要通過(guò)熱傳導(dǎo)離開。因此，我們不可避免地在增益介質(zhì)中得到一些溫度梯度。通過(guò)各種物理機(jī)制，它們可以對(duì)激光產(chǎn)生一些透鏡效應(yīng):
折射率與溫度有關(guān)。
晶體內(nèi)部的機(jī)械應(yīng)力也會(huì)改變折射率(光彈性效應(yīng))。
此外，機(jī)械應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致端面凸出，使激光晶體具有透鏡的形狀。
在典型情況下，前面提到的效應(yīng)往往占主導(dǎo)地位。下圖是典型情況下數(shù)值計(jì)算的溫度分布。
圖1:橫向泵浦強(qiáng)度分布(紅色)和熱剖面(藍(lán)色)，模擬了端泵Nd:YAG棒。僅在晶體中心附近溫度分布近似為拋物線形，因此當(dāng)光束半徑與泵浦光半徑相等時(shí)，激光模式會(huì)產(chǎn)生一些像差。
諧振腔設(shè)計(jì)中的熱透鏡
我們的諧振腔設(shè)計(jì)軟件RP Resonator 基于ABCD矩陣算法計(jì)算激光諧振腔的模態(tài)特性。(確切地說(shuō)，它也使用了一些擴(kuò)展矩陣(ABCDEF矩陣)來(lái)處理錯(cuò)位效應(yīng)，但這與我們今天的上下文無(wú)關(guān)。)在這里，只有具有拋物線形狀的透鏡效應(yīng)，即沒(méi)有球面像差的透鏡效應(yīng)，才能得到治療。該軟件可以很容易地引入分布式透鏡效應(yīng)。例如，激光晶體被定義為一個(gè)“棱鏡”，對(duì)于這個(gè)棱鏡，我們可以指定一個(gè)參數(shù)n2，它是折射率徑向相關(guān)的二階系數(shù):n(r)?=?n0???0.5?n2?r2.。這個(gè)參數(shù)就是熱透鏡的屈光度除以晶體長(zhǎng)度。屈光功率可以從其他地方知道，或者至少在簡(jiǎn)單情況下可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的公式從耗散功率密度計(jì)算出來(lái)。一種常見的情況是提供一個(gè)至少在激光束體積內(nèi)均勻泵浦的圓柱桿。
展開 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。
展開 要想研究熱透鏡效應(yīng)對(duì)泵浦能量的依賴，如下所述：點(diǎn)擊“Parameter Field”窗口中的標(biāo)簽“General”，然后在“Pump power for rescaling”框中輸入新的數(shù)值，所有的熱效應(yīng)都是在原始泵浦能量和輸入值之間按比例線性調(diào)節(jié)的。
其它的工具在LASCAD手冊(cè)中有講述。
4．用于分析激光腔特性的工具
LASCAD提供了一些用于分析激光腔特性的工具，其中的一些會(huì)在下面的例子中解釋。
4.1 分析激光腔的穩(wěn)定性
在如圖15所示的窗口中，你可以在窗口標(biāo)題下面的一行里看到復(fù)選框“Show Stability Diagram”，選中打開如圖16所示的窗口“Stability Diagram”。
點(diǎn)擊按鈕“Plot”，顯示目前諧振腔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在這個(gè)圖表中紅色十字符號(hào)的位置代表腔的穩(wěn)定性。如果你要改變腔的參數(shù)，比如一個(gè)反射鏡的曲率，再次點(diǎn)擊按鈕畫第二個(gè)十字，其所在位置會(huì)顯示參數(shù)修改后產(chǎn)生的影響，你可以繼續(xù)這種方法來(lái)畫一系列的十字，最后一個(gè)十字的顏色一直是紅色的，而前面的會(huì)變成藍(lán)色。
一個(gè)重要的問(wèn)題是腔的穩(wěn)定性依賴于泵浦能量，為了分析這個(gè)，像第三節(jié)那樣調(diào)節(jié)泵浦能量。
選中方框“Show y-plane diagram”，可以附加顯示y平面模的穩(wěn)定性圖表。
圖16
廣義參數(shù)g定義的理論解釋在手冊(cè)的6.5小節(jié)。
4.2 顯示橫向高斯模分布圖
在圖15所示的窗口里，模式圖的上方可以找到可選框“Show Mode Profile”。選中該框以打開窗口“Mode Profile”，如圖17所示。
用鼠標(biāo)點(diǎn)擊模式圖窗口最右邊的垂直品紅色橫條（見圖1），然后移動(dòng)到模式圖中，可以看到拖動(dòng)條所在位置的橫向高斯分布。通過(guò)運(yùn)用上下的箭頭控制（窗口右下角），可以顯示高次橫模，并可以估算出被激發(fā)的高次模的概率。
展開 啟動(dòng)LASCAD并定義一個(gè)簡(jiǎn)單激光腔 1
2．定義并分析一個(gè)側(cè)面泵浦棒 2
2.1 選擇晶體類型和泵浦結(jié)構(gòu) 2
2.2 定義泵浦光分布 3
2.3 定義棒的冷卻 7
2.4 定義材料參數(shù) 8
2.5 定義復(fù)合材料 9
2.6 定義控制FEA 計(jì)算程序的選項(xiàng) 10
2.7 FEA 的可視化結(jié)果 12
2.7.1 三維觀察器 12
2.7.2 二維數(shù)據(jù)圖和拋物線fit 12
2.8 計(jì)算高斯模 13
2.9 在模式圖中插入晶體 14
3．修改腔參數(shù) 1
44．用于分析激光腔特性的工具 15
4.1 分析激光腔的穩(wěn)定性 15
4.2 顯示橫向高斯模分布圖 16
4.3. 輸出激光功率計(jì)算 17
5. 光束傳播編碼（BPM） 19
1. 啟動(dòng)LASCAD并定義一個(gè)簡(jiǎn)單激光腔
? 選擇Start/Programs/LASCAD/Lascad啟動(dòng)LASCAD，
? 定義一個(gè)工作目錄，
? 點(diǎn)擊“OK”，打開LASCAD主窗口，
點(diǎn)擊最左邊的工具欄上的“New Project”按鈕或者執(zhí)行菜單項(xiàng)“File”，
? 將“Number of Face Elements”增加到4，
? 輸入適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)并保持其它默認(rèn)設(shè)置不變，
? 點(diǎn)擊“OK”。
現(xiàn)在你可以看到在頂部的LASCAD的主菜單和在它下面的另外兩個(gè)窗口，一個(gè)標(biāo)題為“Standing Wave Resonator”，另一個(gè)是“Parameter Field”，如圖1所示。上面的窗口顯示了有四個(gè)元件的簡(jiǎn)單腔的模式圖，下面的窗口顯示腔的參數(shù)。在元件編號(hào)下面的縱行顯示的是該元件的參數(shù)，比如每個(gè)反射鏡的曲率半徑，在行標(biāo)簽“Type-Param”里顯示。想要改變?cè)愋停梢灾苯邮褂迷幪?hào)下面的下拉框，你可以選擇反射鏡、介質(zhì)界面和透鏡。
展開 
熱透鏡效應(yīng)分析的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
熱透鏡效應(yīng)分析的最新內(nèi)容
Ansys | 基于熱效應(yīng)的形狀記憶合金脊柱間隔器仿真分析3小時(shí)前
形狀記憶合金（SMA）能夠在發(fā)生大變形后不產(chǎn)生殘余應(yīng)變（偽彈性），并且可以通過(guò)溫度變化從大變形中恢復(fù)（形狀記憶效應(yīng)）。偽彈性和形狀記憶效應(yīng)使其特別適用于航空航天、生物醫(yī)學(xué)和結(jié)構(gòu)工程等領(lǐng)域。本仿真模擬了將形狀記憶合金用作脊柱間隔器的過(guò)程。
目標(biāo)
熟悉形狀記憶合金
理解考慮熱效應(yīng)的形狀記憶合金建模流程
建模步驟
1. 在 ANSYS Workbench 中創(chuàng)建靜力結(jié)構(gòu)系統(tǒng)
形狀記憶合金（SMA）能夠在發(fā)生大變形后不產(chǎn)生殘余應(yīng)變（偽彈性），并且可以通過(guò)溫度變化從大變形中恢復(fù)（形狀記憶效應(yīng)）。偽彈性和形狀記憶效應(yīng)使其特別適用于航空航天、生物醫(yī)學(xué)和結(jié)構(gòu)工程等領(lǐng)域。本仿真模擬了將形狀記憶合金用作脊柱間隔器的過(guò)程。
目標(biāo)
熟悉形狀記憶合金
理解考慮熱效應(yīng)的形狀記憶合金建模流程
建模步驟
1. 在 ANSYS Workbench 中創(chuàng)建靜力結(jié)構(gòu)系統(tǒng)
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
本案例適合哪些人學(xué)習(xí)：
1、學(xué)習(xí)型仿真工程師
2、理工科院校學(xué)生
你會(huì)得到什么：
1、學(xué)習(xí)錐形透鏡的三維模型處理
2、學(xué)習(xí)線瞬態(tài)熱結(jié)構(gòu)耦合分析步的建立
3、學(xué)習(xí)錐形透鏡熱結(jié)構(gòu)耦合分析的載荷施加
4、學(xué)習(xí)錐形透鏡熱結(jié)構(gòu)耦合載荷的施加
案例介紹：
所使用軟件為ANSYS workbench2020r2.
案例介紹了ANSYS workbench 錐形透鏡瞬態(tài)熱應(yīng)力分析
1. 啟動(dòng)LASCAD并定義一個(gè)簡(jiǎn)單激光腔
?選擇Start/Programs/LASCAD/Lascad啟動(dòng)LASCAD，
?定義一個(gè)工作目錄，
?點(diǎn)擊“OK”，打開LASCAD主窗口，
?點(diǎn)擊最左邊的工具欄上的“New Project”按鈕或者執(zhí)行菜單項(xiàng)“File”，
?將“Number of Face Elements”增加到4，
?輸入適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)并保持其它默認(rèn)設(shè)置不變
在許多激光器或放大器設(shè)備中，熱透鏡起著重要的作用，因此應(yīng)該在數(shù)值模擬中加以考慮。
在本文中，我首先簡(jiǎn)要描述了熱透鏡的來(lái)源，然后向您展示如何在我們的軟件中處理這種效應(yīng)。
什么是熱透鏡？
當(dāng)激光增益介質(zhì)(例如激光晶體)被泵浦時(shí)，通常會(huì)產(chǎn)生一些熱量，這些熱量隨后需要通過(guò)熱傳導(dǎo)帶走。因此不可避免地會(huì)在增益介質(zhì)中形成溫度梯度。形成激光的熱透鏡效應(yīng)與以下物理機(jī)制相關(guān):
折射率與溫度相關(guān)
目錄
1. 啟動(dòng)LASCAD并定義一個(gè)簡(jiǎn)單激光腔 1
2．定義并分析一個(gè)側(cè)面泵浦棒 2
2.1 選擇晶體類型和泵浦結(jié)構(gòu) 2
2.2 定義泵浦光分布 3
2.3 定義棒的冷卻 7
2.4 定義材料參數(shù) 8
2.5 定義復(fù)合材料 9
2.6 定義控制FEA 計(jì)算程序的選項(xiàng) 10
2.7 FEA 的可視化結(jié)果 12
2.7.1 三維觀察器 12
2.7.2 二維數(shù)據(jù)圖和拋物線fit 12
2.8
在許多激光或放大器器件中，熱透鏡效應(yīng)起著重要的作用，因此在數(shù)值模擬中需要考慮熱透鏡效應(yīng)。在這篇文章中，我們首先簡(jiǎn)要描述熱透鏡的起源，然后向您展示如何在我們的軟件中處理這種效果。
什么是熱透鏡?
光晶體)被泵浦時(shí)，通常會(huì)產(chǎn)生一些熱量，這些熱量隨后需要通過(guò)熱傳導(dǎo)離開。因此，我們不可避免地在增益介質(zhì)中得到一些溫度梯度。通過(guò)各種物理機(jī)制，它們可以對(duì)激光產(chǎn)生一些透鏡效應(yīng):
折射率與溫度有關(guān)
『點(diǎn)擊觀看直播回放』
在先進(jìn)工藝下，隨著芯片規(guī)模與功耗密度的提高，考慮熱效應(yīng)的可靠性分析成為了Sign-off標(biāo)準(zhǔn)的一環(huán)。Ansys通過(guò)先進(jìn)的熱模型提供芯片，封裝和系統(tǒng)聯(lián)合的熱分析方案，Ansys已經(jīng)與各大主流Foundry合作，在熱分析領(lǐng)域處于行業(yè)領(lǐng)先地位。
此次網(wǎng)絡(luò)直播吸引了眾多觀眾在線觀看，在會(huì)后我們也陸續(xù)收到在線觀眾以及其他用戶前來(lái)詢問(wèn)，在此附上本場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)直播錄播內(nèi)容
內(nèi)容簡(jiǎn)介：
在先進(jìn)工藝下，隨著芯片規(guī)模與功耗密度的提高，考慮熱效應(yīng)的可靠性分析成為了Sign-off標(biāo)準(zhǔn)的一環(huán)。Ansys通過(guò)先進(jìn)的熱模型提供芯片，封裝和系統(tǒng)聯(lián)合的熱分析方案，Ansys已經(jīng)與各大主流Foundry合作，在熱分析領(lǐng)域處于行業(yè)領(lǐng)先地位。
講師簡(jiǎn)介：
張書強(qiáng)，Ansys中國(guó)半導(dǎo)體事業(yè)部技術(shù)支持經(jīng)理。自2010年加入Ansys以來(lái)，一直從事芯片-封裝-系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)和協(xié)同仿真領(lǐng)域的技術(shù)支持工作
