激光諧振腔仿真
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
激光諧振腔仿真的實例教程
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 根據其設計的細節，光學諧振腔相對于橫向光束偏移是穩定的或不穩定的。從這個意義上講，穩定性是指在多次往返過程中，任何以一些不太大的初始橫向偏移位置和角度注入系統的幾何射線都將停留在系統內部。在非穩腔中，這樣的射線遲早會被彈射出來。利用ABCD矩陣算法，可以很容易地判斷一個諧振腔工作在穩定或不穩定狀態，以及從一個狀態移動到另一個狀態所需要的諧振腔參數的變化。
對諧振腔特性的更全面的分析需要波動光學，并且通常涉及分析諧振腔模式。在穩態區和不穩定區，諧振腔模式的性質有很大的不同。非穩諧振腔具有許多特殊性質：
①模式總是經歷顯著的衍射損耗，通常是非常高的(每個往返50%或更高的數量級)。
②模式階數越高，衍射損耗通常越大。這種本征模式識別通常有助于獲得激光器的單橫模工作。
③特別是對于硬邊有衍射的諧振腔，橫模分布比較復雜，通常表現出明顯的環形結構。只有數值方法才能用來計算詳細的模式分布。然而，對于一些軟孔徑諧振腔(見下文)，至少可以使用解析方法以合理的精度估計模式特性。
④在線性非穩腔中，反向傳播光束的波前不一定相互匹配，也不一定與兩端鏡面面形匹配。
不應該將"不穩定"的屬性誤解為這樣的諧振腔比穩定的諧振腔更不穩定。相反，不穩定激光諧振腔的對準靈敏度甚至可以大幅低于穩定諧振腔，并且使用不穩定諧振腔已經開發出相當穩健的高功率激光器。
不穩定激光諧振腔中的輸出耦合
通常制作不穩定的激光諧振腔，將上述衍射"損耗"作為有用的激光輸出。輸出耦合器可以是一個普通的激光反射鏡，其場分布延伸到反射鏡邊緣以外，使部分光通過(見圖1)側面的反射鏡。
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 圖8.功率計算
在本例中，采用薄片激光器普遍使用的Yb:YAG材料作為激光材料。該材料也叫做準三能級材料，也就是說低能級與基態能級系統的能級間隙很小。在計算激光功率輸出時，需要考慮低能級的激光輻射吸收。
圖9.材料定義
圖10.三能級系統
在“Crystal, Pump Beam, and Material Parameters”窗口中打開“Material Parameters”標簽，可以顯示Yb:YAG材料的參數，如圖10所示。在圖10中已勾選“3-level-laser-system”。可以點選旁邊的“show material parameters for 3-level-systems”查看能級系統參數，如能級數，再吸收有效十字區域。
技術文件laser power.pdf中有關于激光功率輸出的理論和數學模型的講解。該技術文件可以從http://www.las-cad.com.cn/documentation.htm鏈接中下載，也可以在LASCAD安裝CD-ROM中找到。由于低能級系統的溫度依賴性，考慮當地溫度分布就很重要，即在FEA計算后得到的溫度分布。LASCAD3.6是第一個商業化的在三能級激光系統計算激光輸出功率時考慮全三維溫度分布的程序。
因為薄片激光器經常考慮多模運算，因此在圖8中我們勾選了“Multimode Operation”。為了限制模式結構的半徑，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”，點選“Apply &plot”，計算500W吸收泵浦功率的激光輸出功率。
展開 4.1 分析激光腔的穩定性
在如圖15所示的窗口中，你可以在窗口標題下面的一行里看到復選框“Show Stability Diagram”，選中打開如圖16所示的窗口“Stability Diagram”。
點擊按鈕“Plot”，顯示目前諧振腔結構的穩定性。在這個圖表中紅色十字符號的位置代表腔的穩定性。如果你要改變腔的參數，比如一個反射鏡的曲率，再次點擊按鈕畫第二個十字，其所在位置會顯示參數修改后產生的影響，你可以繼續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，而前面的會變成藍色。
一個重要的問題是腔的穩定性依賴于泵浦能量，為了分析這個，像第三節那樣調節泵浦能量。
選中方框“Show y-plane diagram”，可以附加顯示y平面模的穩定性圖表。
圖16
廣義參數g定義的理論解釋在手冊的6.5小節。
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。
用鼠標點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的高次模的概率。
可以在端面泵浦的結構中創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用到側面泵浦的棒上。
圖17
4.3. 輸出激光功率計算
如圖18所示，點擊LASCAD主窗口中的“Laser Power”菜單選項即可打開“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。
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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
根據其設計的細節，光學諧振腔相對于橫向光束偏移是穩定的或不穩定的。從這個意義上講，穩定性是指在多次往返過程中，任何以一些不太大的初始橫向偏移位置和角度注入系統的幾何射線都將停留在系統內部。在非穩腔中，這樣的射線遲早會被彈射出來。利用ABCD矩陣算法，可以很容易地判斷一個諧振腔工作在穩定或不穩定狀態，以及從一個狀態移動到另一個狀態所需要的諧振腔參數的變化。
對諧振腔特性的更全面的分析需要波動光學
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
今天講講在 RP Fiber Power 里面仿真環形腔光纖激光器。首先，RP Fiber Power 里面有單位的定義和光譜數據的集合文件（根據需求也可以自定義），我們可以直接調用；然后，定義光纖的結構，信道等基本參數和模型的搭建；最后，使用自帶的函數和命令，顯示想要輸出的數值結果和圖形輸出。下圖顯示了環形腔摻Yb光纖激光器的模擬結果。
（1）光纖中不同位置處的功率分布情況
波分復用技術是大容量光纖通信網絡的關鍵技術，而濾波器是實現波分復用的關鍵器件。教程介紹利用FDTD搭建二維光子晶體諧振腔濾波器模型，并通過仿真求解特定尺寸構型下的諧振腔共振模式以及帶寬等參數。本案中仿真260nm厚度下的嵌有三角晶格陣列的納米孔二維光子晶體諧振腔，仿真波長1000~1400nm。
1. 構建模型
添加三角晶格的納米孔：
納米孔的構造通過
