熱透鏡效應(yīng)模擬的案例
RP Resonator 如何處理模擬中的熱透鏡效應(yīng)
原則上，人們也可以將一個(gè)具有一定屈光度的薄透鏡插入到激光晶體的左邊或右邊，或者在將激光晶體分成兩部分時(shí)插入到中間。在許多情況下，結(jié)果將與分布式透鏡相似。但是，在某些情況下是有區(qū)別的，例如當(dāng)激光晶體的長度超過諧振腔的大部分長度時(shí)。分布式透鏡很容易處理。
在極少數(shù)情況下，由于端泵浦激光的泵浦強(qiáng)度的降低，熱透鏡效應(yīng)在光束方向上可能是不均勻的。然后您必須把激光晶體分成多個(gè)部分，每個(gè)部分有不同的透鏡強(qiáng)度。使用一小段包含循環(huán)結(jié)構(gòu)的腳本代碼，可以簡單地自動(dòng)執(zhí)行，這樣您就不必手動(dòng)輸入多個(gè)晶體部分。
光纖和激光模擬中的熱透鏡
更復(fù)雜的熱透鏡模型可以用于激光模擬，可以用我們的軟件RP Fiber Power完成。
用熱透鏡法修改光纖模式
在光纖中，熱透鏡效應(yīng)通常可以忽略不計(jì)。但是，對于在非常高的功率水平上運(yùn)行，情況就不是這樣了。在這里，在光纖導(dǎo)模的計(jì)算中考慮熱透鏡可能是合適的。這不是問題，因?yàn)槟憧梢园讶我獾膹较蛘凵渎史植紓鬟f給模態(tài)求解器。
徑向溫度分布本身可以從一個(gè)簡單的微分方程計(jì)算，如果徑向熱分布是已知的。(RP Fiber Power & RP Resonator軟件的腳本語言提供了一個(gè)方便的函數(shù)來求解該微分方程。)在具有強(qiáng)透鏡效應(yīng)的情況下，產(chǎn)熱剖面本身可能依賴于模態(tài)特性;在這種情況下，一個(gè)迭代近似的自洽解的熱剖面和模態(tài)性質(zhì)。
光束傳播中的熱透鏡效應(yīng)
我們的軟件也可以用于光束在光纖中傳播的數(shù)值模擬——實(shí)際上也可以用于在大塊激光晶體中傳播。這里，我們指定了一個(gè)本質(zhì)上任意的折射率剖面，這當(dāng)然會受到熱透鏡效應(yīng)的影響。同樣，溫度分布可以通過如上所述的熱分布來計(jì)算。
例如，可以模擬端泵浦為高斯或超高斯光束的圓柱形激光棒的情況。在這里，熱透鏡會有一些像差。這樣就可以簡單地模擬高斯輸入光束單次通過對光束輪廓和光束質(zhì)量因子的影響。
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在許多情況下，結(jié)果將類似于分布式透鏡的結(jié)果。然而，在某些情況下存在差異，例如，當(dāng)激光晶體占總諧振器長度的大部分時(shí)，分布式透鏡很容易處理。
在極少數(shù)情況下，由于端泵激光器中泵浦強(qiáng)度的降低，熱透鏡效應(yīng)沿光束方向不均勻是可能的。因此你必須將激光晶體分成多個(gè)部分，每個(gè)部分都有不同的透鏡強(qiáng)度。只需一點(diǎn)腳本代碼，包含一個(gè)循環(huán)結(jié)構(gòu)，就可以簡單地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，這樣您就不必手動(dòng)輸入多個(gè)晶體段。
光纖和激光模擬中的熱透鏡效應(yīng)
更復(fù)雜的熱透鏡模型可以用于激光模擬，就像我們的軟件RP Fiber Power一樣。
熱透鏡改變光纖模式
在光纖中，熱透鏡效應(yīng)通常可以忽略不計(jì)。然而，在非常高的功率水平下的運(yùn)行時(shí)，情況并非如此。這種情況下在光纖導(dǎo)模的計(jì)算中考慮熱透鏡是需要的，但這不成問題，因?yàn)槟梢詫⑷我鈴较蛘凵渎史植紓鬟f給模式求解器。
如果熱量產(chǎn)生的徑向分布是已知的，則徑向溫度分布本身可以從簡單的微分方程計(jì)算出來。(軟件的腳本語言提供了求解該微分方程的便利功能。)在具有強(qiáng)透鏡效應(yīng)的情況下，熱生成分布實(shí)際上本身取決于模式屬性；在這種情況下，迭代地近似熱分布和模式特性的自洽解。
光束傳播中的熱透鏡效應(yīng)
我們的軟件還可以用于光纖中光束傳播的數(shù)值模擬——或者實(shí)際上是固體激光晶體中的光束傳播。用戶可以指定基本上任意的折射率分布，當(dāng)然這會受到熱透鏡的影響。同樣的，溫度分布可以根據(jù)如上所述的熱分布來計(jì)算。
例如，可以模擬圓柱形的激光晶體棒用高斯或超高斯光束對其進(jìn)行端面泵浦。這時(shí)熱透鏡會產(chǎn)生一些像差。可以通過上述方式簡單地模擬輸入的高斯光束單程通過時(shí)對光束分布和光束質(zhì)量因子的影響。此外，可以模擬多次諧振器往返，直到光束特性趨近于穩(wěn)態(tài)。
展開 如何計(jì)算一個(gè)側(cè)面泵浦棒的簡單激光器諧振腔的熱透鏡效應(yīng)
要想研究熱透鏡效應(yīng)對泵浦能量的依賴，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(gè)十字的顏色一直是紅色的，而前面的會變成藍(lán)色。
一個(gè)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(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。
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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。元件編號之間的縱行里顯示的參數(shù)定義了各元件之間的空間的特性，例如折射率，或者由拋物線折射率分布的二次微分導(dǎo)出的“Refractive Parameter”。關(guān)于這個(gè)窗口中其它的功能，例如如何插入或者清除一個(gè)元件，你可以在快速瀏覽第三部分或者手冊里面找到。
圖1
2.定義并分析一個(gè)側(cè)面泵浦棒2.
1 選擇晶體類型和泵浦結(jié)構(gòu)
點(diǎn)擊LASCAD主窗口的菜單項(xiàng)“FEA/Parameter Input & Start of FEA Code”，打開題為“Crystal，Pump Beam and Materials Parameters”的窗口，如圖2所示。注意六個(gè)標(biāo)簽，用于定義不同類型的參數(shù)。通過標(biāo)簽“Models”下面的列表可以選擇不同的晶體和泵浦結(jié)構(gòu)，我們選擇“Side pumped cylindrical rod”。
在這個(gè)窗口的底部可以定義棒的尺寸，這個(gè)例子里，我們輸入棒長16mm、直徑3mm，如圖2所示。為了研究程序是如何工作的，建議在做第一次試驗(yàn)的時(shí)候使用較短的棒尺寸，這樣計(jì)算時(shí)間比較可靠。
圖2
2.2 定義泵浦光分布選擇標(biāo)簽“Pump Light”，打開如圖3所示的窗口，有如下條目用于定義泵浦結(jié)構(gòu)：空間設(shè)置、二極管特性、液流管道等。
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[LASCAD] 如何計(jì)算一個(gè)側(cè)面泵浦棒的簡單激光器諧振腔的熱透鏡效應(yīng)
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。
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