激光諧振腔設(shè)計的案例
RP 系列激光分析設(shè)計軟件 | 非穩(wěn)諧振腔
雖然輸出的光束輪廓在近場有一個小孔，但光束發(fā)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(zhì)量至少比穩(wěn)定諧振腔的光束質(zhì)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(cè)邊反射鏡輸出耦合的非穩(wěn)態(tài)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(huán)的內(nèi)腔光束中“刮走”部分光。
圖2:在鏡面輸出耦合的不穩(wěn)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(jù)高斯或超高斯函數(shù)。這種方法可以避免在近場輸出光束輪廓中出現(xiàn)其他典型的環(huán)形結(jié)構(gòu)，并且通常適合于獲得相當(dāng)高的光束質(zhì)量。
在某些情況下，諧振腔在一個方向上是穩(wěn)定的，而在另一個方向上是不穩(wěn)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(shù)情況下，不穩(wěn)定諧振腔比穩(wěn)定諧振腔更難分析和優(yōu)化。對于穩(wěn)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(wěn)定的諧振腔模式，人們通常需要數(shù)值光束傳輸。除了合適的軟件外，了解各種復(fù)雜的光學(xué)概念，包括往返放大倍率M和菲涅爾數(shù)NF 等術(shù)語，可能會有所幫助。
不穩(wěn)定激光諧振腔的優(yōu)點(diǎn)和局限性
雖然大多數(shù)激光諧振腔被設(shè)計為穩(wěn)定諧振腔，但不穩(wěn)定諧振腔在某些情況下具有顯著的優(yōu)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(zhì)量。在這種情況下穩(wěn)定諧振腔的一個常見問題是諧振腔模無法實(shí)現(xiàn)，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(wěn)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(yōu)勢，并且沒有過度的靈敏度。
雖然大多數(shù)激光諧振腔被設(shè)計為穩(wěn)定諧振腔，但是在某些情況下，不穩(wěn)定諧振腔可以有很大的優(yōu)勢。
展開 VirtualLab Unity應(yīng)用：激光諧振腔高反射膜
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(jié)構(gòu)，通過理論分析確定了的初始膜系設(shè)計；同時利用電場分布分析對膜層結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)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(yīng)用場景
1064nm是Nd : YAG激光器常用的光譜線。為適應(yīng)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(jié)構(gòu)的周期數(shù) ??，確保在1064nm ±20nm范圍內(nèi)的反射率均大于99.5%。此外，借助電場工具，對膜層結(jié)構(gòu)進(jìn)一步調(diào)整，從而提升薄膜整體的激光損傷閾值。
設(shè)計結(jié)果
設(shè)計結(jié)果如上圖所示，在 1064nm ± 20nm 帶寬范圍內(nèi)，平均反射率達(dá) 99.514%
設(shè)計流程
盡管金屬或金屬+介質(zhì)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(zhì)膜堆以降低吸收并提高反射率。
通過向量法或?qū)Ъ{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(yīng)用該公式，為了使反射率要到達(dá)99.5%，周期數(shù)m至少需為8.
使用公式工具構(gòu)建了膜系作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，并分析了在1064nm ± 20nm 帶寬范圍內(nèi)的反射率分布。右圖顯示了相應(yīng)的結(jié)果，可見在工作波段內(nèi)的平均反射率達(dá)99.63%,已經(jīng)達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)。
關(guān)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(biāo)準(zhǔn)的四分之一波膜堆的電場分布圖。
展開 Ansys Zemax | 在OpticStudio中模擬高階激光光束
Laguerre-Gaussian模型
對于圓柱對稱的激光諧振腔設(shè)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(tài)的電場分布可以用Laguerre多項(xiàng)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(shù)、波束腰(wo)和模態(tài)旋轉(zhuǎn)角(phi0)。注意，指定phi0 = 0相當(dāng)于對奇Laguerre-Gaussian模(LGM)建模，而指定phi0 = 90則相當(dāng)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(rèn)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(shè)計，給出了Ince-Gaussian模式下傍軸波方程的合適解。這些模態(tài)的電場分布可以用Ince多項(xiàng)式表示。這些多項(xiàng)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(wěn)定諧振器的inces - gaussian模式”中進(jìn)行了簡要描述。F.M.
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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(jié)構(gòu)，通過理論分析確定了的初始膜系設(shè)計；同時利用電場分布分析對膜層結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)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(yīng)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(jié)構(gòu)的周期數(shù) ??，確保在1064nm ±20nm范圍內(nèi)的反射率均大于99.5%。此外，借助電場工具，對膜層結(jié)構(gòu)進(jìn)一步調(diào)整，從而提升薄膜整體的激光損傷閾值。
應(yīng)用場景
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Ansys Zemax 在OpticStudio中模擬高階激光光束
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(xué)傳播設(shè)計的任何光學(xué)系統(tǒng)中傳播。由矩形、圓形和橢圓形增益孔徑的激光腔產(chǎn)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(tǒng)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(xiàng)。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(xué)傳播(POP)對光束的后續(xù)傳播進(jìn)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(xiàng)式表示。這種模式可以在OpticStudio中使用POP設(shè)置對話框中內(nèi)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(shù)。以上設(shè)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(yīng)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(shù)，n是光束在Y中的階數(shù)。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(shè)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 [LASCAD] 如何計算一個側(cè)面泵浦棒的簡單激光器諧振腔的熱透鏡效應(yīng)
LASCAD3.6是第一個商業(yè)化的在三能級激光系統(tǒng)計算激光輸出功率時考慮全三維溫度分布的程序。
因?yàn)楸∑?em>激光器經(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個網(wǎng)格點(diǎn)。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。
“Total incident pump power”是從二極管聚集到棒上的總功率。
“Inner radius of flow tube”和“Outer radius of flow tube”分別是液流管道的內(nèi)半徑和外半徑。如果你的模型里沒有液流管道，將外徑和內(nèi)徑設(shè)置得很接近，并將液流管道的折射率設(shè)成和液體的折射率一樣。
“Radius of cylindrical reflector”是圓柱反射腔的半徑，圓柱反射腔用來將第一次通過棒的泵浦光再反射回棒里面。
“Distance of reflector from rod axis”不一定要和反射腔的半徑完全一致，例如反射腔可以是平面的，當(dāng)然在大部分情況下是相同的。
展開 如何計算一個側(cè)面泵浦棒的簡單激光器諧振腔的熱透鏡效應(yīng)
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。在這個圖表中紅色十字符號的位置代表腔的穩(wěn)定性。如果你要改變腔的參數(shù)，比如一個反射鏡的曲率，再次點(diǎn)擊按鈕畫第二個十字，其所在位置會顯示參數(shù)修改后產(chǎn)生的影響，你可以繼續(xù)這種方法來畫一系列的十字，最后一個十字的顏色一直是紅色的，而前面的會變成藍(lán)色。
一個重要的問題是腔的穩(wěn)定性依賴于泵浦能量，為了分析這個，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），然后移動到模式圖中，可以看到拖動條所在位置的橫向高斯分布。通過運(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。
可以在端面泵浦的結(jié)構(gòu)中創(chuàng)建一個可以同時顯示橫向泵浦分布和激光橫模分布的圖，該功能也將很快可以應(yīng)用到側(cè)面泵浦的棒上。
圖17
4.3. 輸出激光功率計算
如圖18所示，點(diǎn)擊LASCAD主窗口中的“Laser Power”菜單選項(xiàng)即可打開“Laser Power Output”窗口。可計算單模工作和多模工作的輸出激光功率。圖18中繪出了多模工作的輸出激光功率圖。我們先從單模工作的計算開始。
展開 如何計算一個側(cè)面泵浦棒的簡單激光器諧振腔的熱透鏡效應(yīng)
啟動LASCAD并定義一個簡單激光腔 1
2．定義并分析一個側(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. 輸出激光功率計算 17
5. 光束傳播編碼（BPM） 19
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(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窗口，一個標(biāo)題為“Standing Wave Resonator”，另一個是“Parameter Field”，如圖1所示。上面的窗口顯示了有四個元件的簡單腔的模式圖，下面的窗口顯示腔的參數(shù)。在元件編號下面的縱行顯示的是該元件的參數(shù)，比如每個反射鏡的曲率半徑，在行標(biāo)簽“Type-Param”里顯示。想要改變元件類型，可以直接使用元件編號下面的下拉框，你可以選擇反射鏡、介質(zhì)界面和透鏡。
展開 GLAD：諧振腔的優(yōu)化設(shè)計
概述
利用GLAD的優(yōu)化功能，諧振腔命令可以對諧振腔的各個參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。整個設(shè)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(shù)的諧振腔確定腔內(nèi)本征模的尺寸。然后利用GLAD的優(yōu)化功能針對特殊的諧振腔參數(shù)要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，從而得到對應(yīng)的本征模式。
一旦確定了給定要求對應(yīng)的本征模，利用其對應(yīng)的高斯擬合本征模作為初始解就可以計算考慮衍射效應(yīng)的實(shí)際橫模分布。由于優(yōu)化得出的本征模與實(shí)際的衍射解是非常接近的，因此迭代過程會收斂得非常快。
系統(tǒng)描述
本例重點(diǎn)展示了resonator以及optimization兩個命令的使用。通過調(diào)整諧振腔兩端腔鏡的曲率半徑設(shè)計出光束束腰為0.04cm的諧振腔。初始狀態(tài)時兩個腔鏡的曲率半徑是一樣的，因此諧振腔初始狀態(tài)是一個對稱腔。“resonator/test”對建立的諧振腔進(jìn)行測試，并計算ABCD傳輸特性，從而計算出初始本征模，并將其存儲起來供optimization命令調(diào)用優(yōu)化。
模擬結(jié)果
圖1.對稱腔衍射傳輸?shù)牡諗窟^程，只經(jīng)過了10次迭代就達(dá)到了收斂狀態(tài)
展開 光纖激光器設(shè)計軟件 | RP Fiber Power 仿真環(huán)形腔光纖激光器模型
今天講講在 RP Fiber Power 里面仿真環(huán)形腔光纖激光器。首先，RP Fiber Power 里面有單位的定義和光譜數(shù)據(jù)的集合文件（根據(jù)需求也可以自定義），我們可以直接調(diào)用；然后，定義光纖的結(jié)構(gòu)，信道等基本參數(shù)和模型的搭建；最后，使用自帶的函數(shù)和命令，顯示想要輸出的數(shù)值結(jié)果和圖形輸出。下圖顯示了環(huán)形腔摻Y(jié)b光纖激光器的模擬結(jié)果。
（1）光纖中不同位置處的功率分布情況
（2）輸出功率隨輸入功率變化情況
（3）不同光纖長度下的功率分布情況
（4）徑向函數(shù)圖
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01:會議大綱
RP Fiber Power 軟件介紹
RP Fiber Power 軟件界面演示
Yb fiber ring laser 案例演示
02:會議詳情
會議時間：2022年11月25日 14:30—15:30
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