熱透鏡效應
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
熱透鏡效應的實例教程
在許多激光器或放大器設備中，熱透鏡起著重要的作用，因此應該在數值模擬中加以考慮。
在本文中，我首先簡要描述了熱透鏡的來源，然后向您展示如何在我們的軟件中處理這種效應。
什么是熱透鏡？
當激光增益介質(例如激光晶體)被泵浦時，通常會產生一些熱量，這些熱量隨后需要通過熱傳導帶走。因此不可避免地會在增益介質中形成溫度梯度。形成激光的熱透鏡效應與以下物理機制相關:
折射率與溫度相關。
晶體內部的機械應力也會改變折射率(光彈性效應)。
此外，機械應力會導致端面凸出，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值計算的溫度曲線。
圖1:模擬端面泵浦Nd:YAG棒的橫向泵浦強度分布(紅色)和熱分布(藍色)。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生一些像差。
諧振腔設計中的熱透鏡效應
我們的諧振器設計軟件RP Resonator基于ABCD矩陣算法計算激光諧振腔的模式特性。(準確地說，它使用一種擴展矩陣(ABCDEF矩陣)來處理錯位影響，但這與我們的上下文無關。)
這里，只能處理拋物線形狀的透鏡效應，即沒有球差的透鏡效應。軟件可以很容易地定義熱透鏡效應的分布，例如，激光晶體被定義為一個“棱鏡”，因此可以指定參數n2，它是折射率的徑向相關性的二階系數:n(r)= n0-0.5n2r2 。 這個參數可以簡化為熱透鏡的屈光度除以晶體長度。 屈光度可以從別處得知，或者至少在簡化的情況下，可以用簡單的公式從耗散功率密度計算出。 一種常見的情況是提供一根至少在激光束體積內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或右側，或者當將激光晶體分成兩部分時，插入到激光晶體的中間。
展開 在許多激光或放大器器件中，熱透鏡效應起著重要的作用，因此在數值模擬中需要考慮熱透鏡效應。在這篇文章中，我們首先簡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，通常會產生一些熱量，這些熱量隨后需要通過熱傳導離開。因此，我們不可避免地在增益介質中得到一些溫度梯度。通過各種物理機制，它們可以對激光產生一些透鏡效應:
折射率與溫度有關。
晶體內部的機械應力也會改變折射率(光彈性效應)。
此外，機械應力會導致端面凸出，使激光晶體具有透鏡的形狀。
在典型情況下，前面提到的效應往往占主導地位。下圖是典型情況下數值計算的溫度分布。
圖1:橫向泵浦強度分布(紅色)和熱剖面(藍色)，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，因此當光束半徑與泵浦光半徑相等時，激光模式會產生一些像差。
諧振腔設計中的熱透鏡
我們的諧振腔設計軟件RP Resonator 基于ABCD矩陣算法計算激光諧振腔的模態特性。(確切地說，它也使用了一些擴展矩陣(ABCDEF矩陣)來處理錯位效應，但這與我們今天的上下文無關。)在這里，只有具有拋物線形狀的透鏡效應，即沒有球面像差的透鏡效應，才能得到治療。該軟件可以很容易地引入分布式透鏡效應。例如，激光晶體被定義為一個“棱鏡”，對于這個棱鏡，我們可以指定一個參數n2，它是折射率徑向相關的二階系數:n(r)?=?n0???0.5?n2?r2.。這個參數就是熱透鏡的屈光度除以晶體長度。屈光功率可以從其他地方知道，或者至少在簡單情況下可以用一個簡單的公式從耗散功率密度計算出來。一種常見的情況是提供一個至少在激光束體積內均勻泵浦的圓柱桿。
展開 這在光學系統的各個元件中產生大量的熱量，可能引入各種光學效應，如熱透鏡效應，它將改變透鏡的焦距。在這個用例中，我們演示了由聚焦透鏡內部的熱透鏡產生的焦點位移。熱透鏡效應本身由導入的變形表面和根據導入的溫度數據計算的非均勻介質定義。
建模任務
在VirtualLab Fusion中構建系統
系統構建塊 – 光源
系統構建塊 – 元件
系統構建塊 – 探測器
總結 – 元件...
數據導入
仿真結果
光線追跡結果
場追跡結果 – 焦點偏移
場追跡結果 – 焦斑
VirtualLab Fusion技術
文件信息
展開 這在光學系統的各個元件中產生大量的熱量，可能引入各種光學效應，如熱透鏡效應，它將改變透鏡的焦距。在這個用例中，我們演示了由聚焦透鏡內部的熱透鏡產生的焦點位移。熱透鏡效應本身由導入的變形表面和根據導入的溫度數據計算的非均勻介質定義。
建模任務
在VirtualLab Fusion中構建系統
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仿真結果
光線追跡結果
場追跡結果 – 焦點偏移
場追跡結果 – 焦斑
VirtualLab Fusion技術
文件信息
展開 這在光學系統的各個元件中產生大量的熱量，可能引入各種光學效應，如熱透鏡效應，它將改變透鏡的焦距。在這個用例中，我們演示了由聚焦透鏡內部的熱透鏡產生的焦點位移。熱透鏡效應本身由導入的變形表面和根據導入的溫度數據計算的非均勻介質定義。
建模任務
在VirtualLab Fusion中構建系統
系統構建塊 – 光源
系統構建塊 – 元件
系統構建塊 – 探測器
總結 – 元件...
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仿真結果
光線追跡結果
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場追跡結果 – 焦斑
VirtualLab Fusion技術
文件信息
延伸閱讀
-熱透鏡聚焦高斯光束
-如何使用可編程介質以及示例(熱透鏡)
此用例是由聯邦教育和研究部(BMBF)資助的項目“VIPO -面向整個產品生命周期的數字過程和方法研究的虛擬產品和過程優化”實現的。
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熱透鏡效應的最新內容
形狀記憶合金（SMA）能夠在發生大變形后不產生殘余應變（偽彈性），并且可以通過溫度變化從大變形中恢復（形狀記憶效應）。偽彈性和形狀記憶效應使其特別適用于航空航天、生物醫學和結構工程等領域。本仿真模擬了將形狀記憶合金用作脊柱間隔器的過程。
目標
熟悉形狀記憶合金
理解考慮熱效應的形狀記憶合金建模流程
建模步驟
1. 在 ANSYS Workbench 中創建靜力結構系統
形狀記憶合金（SMA）能夠在發生大變形后不產生殘余應變（偽彈性），并且可以通過溫度變化從大變形中恢復（形狀記憶效應）。偽彈性和形狀記憶效應使其特別適用于航空航天、生物醫學和結構工程等領域。本仿真模擬了將形狀記憶合金用作脊柱間隔器的過程。
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建模任務
熱透鏡效應描述了由高功率入射激光束的熱力梯度引起的介質折射率的不均勻性。對于具有特定參數的高斯光束，折射率在數學上表示為溫度和輸入功率的函數[W. Koechener, Appl. Opt. 9, 2548-2553 (1970)]。這個案例展示了當輸入功率變化時，熱透鏡焦距以及聚焦光束直徑的變化。
摘要
熱透鏡效應描述了由高功率入射激光束的熱力梯度引起的介質折射率的不均勻性。對于具有特定參數的高斯光束，折射率在數學上表示為溫度和輸入功率的函數[W. Koechener, Appl. Opt. 9, 2548-2553 (1970)]。這個案例展示了當輸入功率變化時，熱透鏡焦距以及聚焦光束直徑的變化。這個例子發表在[H.
概述
透射率元件中的熱致波前畸變主要包括兩個部分：（1）由折射率變化導致波前畸變以以及（2）由溫度導致的厚度變化所引起的波前畸變。
GLAD中支持三種材料，分別為光學材料、固體非光學材料和流體。光學材料包含了一個內部熱源分布，可以對閃光燈泵浦類似的熱效應進行建模。表征光學材料的參數包括熱導率、密度熱容積、折射率以及折射率的1階、2階導數，以及熱膨脹系數。固體非光學材料只具有熱性質
模擬結果
初始狀態時玻璃窗口和圓環的溫度為30度，壓縮空氣為25度，并通過“thermal/settle”命令實現了熱傳導和熱對流。壓縮空氣向內流動對窗口冷卻，內部熱源在窗口的中心位置開始發出熱量。對于相距0.1cm的兩個陣列點，材料的熱時間常數分別為：玻璃，2秒；鋁，0.0043秒；壓縮空氣，12.2秒。鋁的熱導率非常高
指南3 如何計算Yb:YAG薄片激光器的熱透鏡和激光功率輸出？
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FEA 4
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
指南3 如何計算Yb:YAG薄片激光器的熱透鏡和激光功率輸出？
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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FEA 4
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
為了在Matlab?或Octave中可視化，我們提供了一個小腳本plot_slice.m可以用來繪制模態的輸出截面:
將參考模(紅色)和溫度依賴模(藍色)繪制成同一圖，可以清楚地觀察到熱透鏡效應：
