激光諧振腔設計
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
激光諧振腔設計的實例教程
雖然輸出的光束輪廓在近場有一個小孔，但光束發散度很小，對于一些非常高功率的激光器，這種諧振腔的光束質量至少比穩定諧振腔的光束質量要高，特別是在可以容忍較大的衍射損耗的情況下，這樣可以使小孔變得相對較小。
圖1:側邊反射鏡輸出耦合的非穩態激光諧振腔。
在其他情況下，使用反射鏡面(圖2，例如，帶有橢圓孔的傾斜反射鏡)，它從循環的內腔光束中“刮走”部分光。
圖2:在鏡面輸出耦合的不穩定激光諧振腔。
另一種可能性是使用可變反射率鏡，其中反射率隨著到光束軸的距離的增加而減小——通常根據高斯或超高斯函數。這種方法可以避免在近場輸出光束輪廓中出現其他典型的環形結構，并且通常適合于獲得相當高的光束質量。
在某些情況下，諧振腔在一個方向上是穩定的，而在另一個方向上是不穩定的。這種混合諧振腔有時用于光束高度橢圓形的情況。
在大多數情況下，不穩定諧振腔比穩定諧振腔更難分析和優化。對于穩定的諧振腔，ABCD矩陣算法允許人們以相對簡單的方式計算各種模式特性，但為了分析不穩定的諧振腔模式，人們通常需要數值光束傳輸。除了合適的軟件外，了解各種復雜的光學概念，包括往返放大倍率M和菲涅爾數NF 等術語，可能會有所幫助。
不穩定激光諧振腔的優點和局限性
雖然大多數激光諧振腔被設計為穩定諧振腔，但不穩定諧振腔在某些情況下具有顯著的優勢。特別是，它們可以幫助生成激光束非常高光功率并且仍然相對較高光束質量。在這種情況下穩定諧振腔的一個常見問題是諧振腔模無法實現，或者這種模式對以下干擾非常敏感熱透鏡化或者角誤差。然而，不穩定諧振腔可以具有非常大的基模，與所有高階模式相比具有顯著的凈增益優勢，并且沒有過度的靈敏度。
雖然大多數激光諧振腔被設計為穩定諧振腔，但是在某些情況下，不穩定諧振腔可以有很大的優勢。
展開 摘要
在本案例中，針對Nd:YAG激光器的諧振腔，我們基于λ/4膜堆結構，通過理論分析確定了的初始膜系設計；同時利用電場分布分析對膜層結構進行優化，使得在滿足高反射率要求的同時，薄膜整體的激光損傷閾值得到了顯著提高。
應用場景
1064nm是Nd : YAG激光器常用的光譜線。為適應激光波長漂移及不同激光模式的需求，必須在中心波長附近保持約20nm的寬帶高反射性能。本案例中，我們通過理論計算確定了基于1/4波長膜堆結構的周期數 ??，確保在1064nm ±20nm范圍內的反射率均大于99.5%。此外，借助電場工具，對膜層結構進一步調整，從而提升薄膜整體的激光損傷閾值。
設計結果
設計結果如上圖所示，在 1064nm ± 20nm 帶寬范圍內，平均反射率達 99.514%
設計流程
盡管金屬或金屬+介質膜可用于高反射膜，但由于金屬存在熱吸收且反射率有限。而高功率激光器對反射鏡要求極高，需盡可能接近100%反射率并最小化吸收損耗。因此，必須采用全電介質膜堆以降低吸收并提高反射率。
通過向量法或導納軌跡法可以證明在基板中鍍高低折射率交替的多層1/4波長膜堆可獲得極高的反射率。反射率公式為：
應用該公式，為了使反射率要到達99.5%，周期數m至少需為8.
使用公式工具構建了膜系作為基礎結構，并分析了在1064nm ± 20nm 帶寬范圍內的反射率分布。右圖顯示了相應的結果，可見在工作波段內的平均反射率達99.63%,已經達到了設計指標。
關于公式工具的更多信息: Tutorial: Formula Tool
通過電場分析工具可以查看電場在膜層間的分布，左圖是標準的四分之一波膜堆的電場分布圖。
展開 Laguerre-Gaussian模型
對于圓柱對稱的激光諧振腔設計，即具有圓形增益孔徑的激光諧振腔，用Laguerre-Gaussian模型給出了傍軸波動方程的合適解。這些模態的電場分布可以用Laguerre多項式表示。這些模式可以在OpticStudio中使用安裝OpticStudio時提供的“Laguerre beam”DLL建模:
該模型的輸入是波束在徑向(n)和方位角(l)方向的階數、波束腰(wo)和模態旋轉角(phi0)。注意，指定phi0 = 0相當于對奇Laguerre-Gaussian模(LGM)建模，而指定phi0 = 90則相當于對偶LGM建模.2
“Laguerre beam”DLL的源代碼可以在OpticStudio安裝文件夾中找到，默認情況下是{Zemax}\DLL\PhysicalOptics。這個文件夾的位置在File tab...Project Preferences...Folders:
Ince-Gaussian模式
對于具有橢圓對稱增益孔徑的激光諧振腔設計，給出了Ince-Gaussian模式下傍軸波方程的合適解。這些模態的電場分布可以用Ince多項式表示。這些多項式在Miguel A. Bandres和Julio C. Gutiérrez-Vega (JOSA, Vol. 21, No. 5, 2004年5月，p. 873)的論文“傍軸波動方程和穩定諧振器的inces - gaussian模式”中進行了簡要描述。F.M.
展開 在本案例中，針對Nd:YAG激光器的諧振腔，我們基于λ/4膜堆結構，通過理論分析確定了的初始膜系設計；同時利用電場分布分析對膜層結構進行優化，使得在滿足高反射率要求的同時，薄膜整體的激光損傷閾值得到了顯著提高。
摘要
1064nm是Nd : YAG激光器常用的光譜線。為適應激光波長漂移及不同激光模式的需求，必須在中心波長附近保持約20nm的寬帶高反射性能。本案例中，我們通過理論計算確定了基于1/4波長膜堆結構的周期數 ??，確保在1064nm ±20nm范圍內的反射率均大于99.5%。此外，借助電場工具，對膜層結構進一步調整，從而提升薄膜整體的激光損傷閾值。
應用場景
展開 本文描述了OpticStudio中可用于描述高階激光束的模型。一旦定義，這樣的光束可以在OpticStudio中使用物理光學傳播設計的任何光學系統中傳播。由矩形、圓形和橢圓形增益孔徑的激光腔產生的光束可以用可用的Hermite-Gaussian, Laguerre-Gaussian和Ince-Gaussian光束模型來描述。
簡介
一般來說，激光的輸出可以通過求解傍軸波動方程得到。這個方程最常見的解是理想單模高斯光束。其它正交解集的存在依賴于給定系統的對稱性。它們可以用來模擬高階光束模式。
OpticStudio提供了建模三個其他解決方案的選項。所選擇的解將描述光束的初始電場分布，然后使用物理光學傳播(POP)對光束的后續傳播進行建模。
Hermite-Gaussian模型
對于矩形對稱的激光諧振腔，即矩形增益孔徑的激光諧振器，用Hermite-Gaussian模型給出了傍軸波動方程的合適解。這些模式的電場分布可以用Hermite多項式表示。這種模式可以在OpticStudio中使用POP設置對話框中內置的“高斯束腰”光束定義建模:
這種模式的基本輸入是束腰在X和Y上的寬度和在X和Y上的階數。以上設置演示如何模擬在X和Y方向上具有相同束腰寬度的(0,0)模式,對應于一個單模高斯光束。然而，輸入光束也可以是在X和Y上不對稱的高階Hermite-Gaussian光束，例如:
Hermite-Gaussian模型通常被稱為TEMm,n模，其中m是光束在X中的階數，n是光束在Y中的階數。同樣，高斯光束是TEM00模光束。
Laguerre-Gaussian模型
對于圓柱對稱的激光諧振腔設計，即具有圓形增益孔徑的激光諧振腔，用Laguerre-Gaussian模型給出了傍軸波動方程的合適解。
展開 
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Laguerre-Gaussian模型
對于圓柱對稱的激光諧振腔設計，即具有圓形增益孔徑的激光諧振腔，用Laguerre-Gaussian模型給出了傍軸波動方程的合適解。這些模態的電場分布可以用Laguerre多項式表示。
GLAD：諧振腔的優化設計5個月前
概述
利用GLAD的優化功能，諧振腔命令可以對諧振腔的各個參數進行優化設計。整個設計分為兩個過程：首先，利用“resonator/test”和“resonator/set”命令對給定腔鏡參數的諧振腔確定腔內本征模的尺寸。然后利用GLAD的優化功能針對特殊的諧振腔參數要求進行優化設計，從而得到對應的本征模式。
一旦確定了給定要求對應的本征模，利用其對應的高斯擬合本征模作為初始解就可以計算考慮衍射效應的實際橫模分布
在本案例中，針對Nd:YAG激光器的諧振腔，我們基于λ/4膜堆結構，通過理論分析確定了的初始膜系設計；同時利用電場分布分析對膜層結構進行優化，使得在滿足高反射率要求的同時，薄膜整體的激光損傷閾值得到了顯著提高。
摘要
1064nm是Nd : YAG激光器常用的光譜線。為適應激光波長漂移及不同激光模式的需求
摘要
在本案例中，針對Nd:YAG激光器的諧振腔，我們基于λ/4膜堆結構，通過理論分析確定了的初始膜系設計；同時利用電場分布分析對膜層結構進行優化，使得在滿足高反射率要求的同時，薄膜整體的激光損傷閾值得到了顯著提高。
應用場景
1064nm是Nd : YAG激光器常用的光譜線。為適應激光波長漂移及不同激光模式的需求，必須在中心波長附近保持約20nm的寬帶高反射性能。本案例中
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
1. 啟動LASCAD并定義一個簡單激光腔
?選擇Start/Programs/LASCAD/Lascad啟動LASCAD，
?定義一個工作目錄，
?點擊“OK”，打開LASCAD主窗口，
?點擊最左邊的工具欄上的“New Project”按鈕或者執行菜單項“File”，
?將“Number of Face Elements”增加到4，
?輸入適當的波長并保持其它默認設置不變
不穩定激光諧振腔的優點和局限性
雖然大多數激光諧振腔被設計為穩定諧振腔，但不穩定諧振腔在某些情況下具有顯著的優勢。特別是，它們可以幫助生成激光束非常高光功率并且仍然相對較高光束質量。在這種情況下穩定諧振腔的一個常見問題是諧振腔模無法實現，或者這種模式對以下干擾非常敏感熱透鏡化或者角誤差。
Laguerre-Gaussian模型
對于圓柱對稱的激光諧振腔設計，即具有圓形增益孔徑的激光諧振腔，用Laguerre-Gaussian模型給出了傍軸波動方程的合適解。這些模態的電場分布可以用Laguerre多項式表示。
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· RP Coating 薄膜設計軟件
· RP ProPulse 脈沖傳輸模擬
· RP Resonator 激光諧振腔設計軟件
目錄
1. 啟動LASCAD并定義一個簡單激光腔 1
2．定義并分析一個側面泵浦棒 2
2.1 選擇晶體類型和泵浦結構 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 8
2.5 定義復合材料 9
2.6 定義控制FEA 計算程序的選項 10
2.7 FEA 的可視化結果 12
2.7.1 三維觀察器 12
2.7.2 二維數據圖和拋物線fit 12
2.8
