激光諧振腔仿真的案例
VirtualLab Unity應(yīng)用：激光諧振腔高反射膜
摘要
在本案例中，針對(duì)Nd:YAG激光器的諧振腔，我們基于λ/4膜堆結(jié)構(gòu)，通過(guò)理論分析確定了的初始膜系設(shè)計(jì)；同時(shí)利用電場(chǎng)分布分析對(duì)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(shí)，薄膜整體的激光損傷閾值得到了顯著提高。
應(yīng)用場(chǎng)景
1064nm是Nd : YAG激光器常用的光譜線。為適應(yīng)激光波長(zhǎng)漂移及不同激光模式的需求，必須在中心波長(zhǎng)附近保持約20nm的寬帶高反射性能。本案例中，我們通過(guò)理論計(jì)算確定了基于1/4波長(zhǎng)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(chǎng)工具，對(duì)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(jì)結(jié)果
設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)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(guò)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(zhǎng)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(jì)指標(biāo)。
關(guān)于公式工具的更多信息: Tutorial: Formula Tool
通過(guò)電場(chǎng)分析工具可以查看電場(chǎng)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(chǎng)分布圖。
展開 RP 系列激光分析設(shè)計(jì)軟件 | 非穩(wěn)諧振腔
根據(jù)其設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)，光學(xué)諧振腔相對(duì)于橫向光束偏移是穩(wěn)定的或不穩(wěn)定的。從這個(gè)意義上講，穩(wěn)定性是指在多次往返過(guò)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(tǒng)的幾何射線都將停留在系統(tǒng)內(nèi)部。在非穩(wěn)腔中，這樣的射線遲早會(huì)被彈射出來(lái)。利用ABCD矩陣算法，可以很容易地判斷一個(gè)諧振腔工作在穩(wěn)定或不穩(wěn)定狀態(tài)，以及從一個(gè)狀態(tài)移動(dòng)到另一個(gè)狀態(tài)所需要的諧振腔參數(shù)的變化。
對(duì)諧振腔特性的更全面的分析需要波動(dòng)光學(xué)，并且通常涉及分析諧振腔模式。在穩(wěn)態(tài)區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)，諧振腔模式的性質(zhì)有很大的不同。非穩(wěn)諧振腔具有許多特殊性質(zhì)：
①模式總是經(jīng)歷顯著的衍射損耗，通常是非常高的(每個(gè)往返50%或更高的數(shù)量級(jí))。
②模式階數(shù)越高，衍射損耗通常越大。這種本征模式識(shí)別通常有助于獲得激光器的單橫模工作。
③特別是對(duì)于硬邊有衍射的諧振腔，橫模分布比較復(fù)雜，通常表現(xiàn)出明顯的環(huán)形結(jié)構(gòu)。只有數(shù)值方法才能用來(lái)計(jì)算詳細(xì)的模式分布。然而，對(duì)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(jì)模式特性。
④在線性非穩(wěn)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(yīng)該將"不穩(wěn)定"的屬性誤解為這樣的諧振腔比穩(wěn)定的諧振腔更不穩(wěn)定。相反，不穩(wěn)定激光諧振腔的對(duì)準(zhǔn)靈敏度甚至可以大幅低于穩(wěn)定諧振腔，并且使用不穩(wěn)定諧振腔已經(jīng)開發(fā)出相當(dāng)穩(wěn)健的高功率激光器。
不穩(wěn)定激光諧振腔中的輸出耦合
通常制作不穩(wěn)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(gè)普通的激光反射鏡，其場(chǎng)分布延伸到反射鏡邊緣以外，使部分光通過(guò)(見圖1)側(cè)面的反射鏡。
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在本案例中，針對(duì)Nd:YAG激光器的諧振腔，我們基于λ/4膜堆結(jié)構(gòu)，通過(guò)理論分析確定了的初始膜系設(shè)計(jì)；同時(shí)利用電場(chǎng)分布分析對(duì)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(shí)，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(zhǎng)漂移及不同激光模式的需求，必須在中心波長(zhǎng)附近保持約20nm的寬帶高反射性能。本案例中，我們通過(guò)理論計(jì)算確定了基于1/4波長(zhǎng)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(chǎng)工具，對(duì)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(chǎng)景
展開 [LASCAD] 如何計(jì)算一個(gè)側(cè)面泵浦棒的簡(jiǎn)單激光器諧振腔的熱透鏡效應(yīng)
圖8.功率計(jì)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(zhǔn)三能級(jí)材料，也就是說(shuō)低能級(jí)與基態(tài)能級(jí)系統(tǒng)的能級(jí)間隙很小。在計(jì)算激光功率輸出時(shí)，需要考慮低能級(jí)的激光輻射吸收。
圖9.材料定義
圖10.三能級(jí)系統(tǒng)
在“Crystal, Pump Beam, and Material Parameters”窗口中打開“Material Parameters”標(biāo)簽，可以顯示Yb:YAG材料的參數(shù)，如圖10所示。在圖10中已勾選“3-level-laser-system”。可以點(diǎn)選旁邊的“show material parameters for 3-level-systems”查看能級(jí)系統(tǒng)參數(shù)，如能級(jí)數(shù)，再吸收有效十字區(qū)域。
技術(shù)文件laser power.pdf中有關(guān)于激光功率輸出的理論和數(shù)學(xué)模型的講解。該技術(shù)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(jí)系統(tǒng)的溫度依賴性，考慮當(dāng)?shù)販囟确植季秃苤匾丛贔EA計(jì)算后得到的溫度分布。LASCAD3.6是第一個(gè)商業(yè)化的在三能級(jí)激光系統(tǒng)計(jì)算激光輸出功率時(shí)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(jì)算500W吸收泵浦功率的激光輸出功率。
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如何計(jì)算一個(gè)側(cè)面泵浦棒的簡(jiǎn)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(gè)圖表中紅色十字符號(hào)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(huì)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(lái)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(huì)變成藍(lán)色。
一個(gè)重要的問(wèn)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(cè)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(guò)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(gè)可以同時(shí)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(jì)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(jì)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(jì)算開始。
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啟動(dòng)LASCAD并定義一個(gè)簡(jiǎn)單激光腔 1
2．定義并分析一個(gè)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(jì)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(jì)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(jì)算 17
5. 光束傳播編碼（BPM） 19
1. 啟動(dòng)LASCAD并定義一個(gè)簡(jiǎn)單激光腔
? 選擇Start/Programs/LASCAD/Lascad啟動(dòng)LASCAD，
? 定義一個(gè)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(zhǎng)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(gè)窗口，一個(gè)標(biāo)題為“Standing Wave Resonator”，另一個(gè)是“Parameter Field”，如圖1所示。上面的窗口顯示了有四個(gè)元件的簡(jiǎn)單腔的模式圖，下面的窗口顯示腔的參數(shù)。在元件編號(hào)下面的縱行顯示的是該元件的參數(shù)，比如每個(gè)反射鏡的曲率半徑，在行標(biāo)簽“Type-Param”里顯示。想要改變?cè)愋停梢灾苯邮褂迷幪?hào)下面的下拉框，你可以選擇反射鏡、介質(zhì)界面和透鏡。
展開 基于Lumerical的光子晶體諧振腔濾波器仿真模擬
由于本案中諧振腔具有對(duì)稱性，因此探測(cè)器覆蓋區(qū)域僅需覆蓋腔體的1/4即可。
6. 添加模式監(jiān)控器
依然點(diǎn)擊該控件添加自由編輯輸入注意，通常該監(jiān)控器是在運(yùn)行第一遍出現(xiàn)共振峰位的時(shí)候再繼續(xù)添加分析的，監(jiān)控器相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表中，各個(gè)頻率實(shí)際上是有前面的結(jié)果知道的。本監(jiān)控器的功能是實(shí)現(xiàn)特定頻率或波長(zhǎng)下的模式場(chǎng)圖。如果需要知道各個(gè)場(chǎng)圖，需要再運(yùn)行一遍仿真。
7. 分析運(yùn)行結(jié)果
點(diǎn)擊Run開始運(yùn)行仿真。待仿真結(jié)束后，可以右擊各控件，
查看可輸出的結(jié)果。如諧振譜線圖：可利用峰位計(jì)算帶寬。
右擊mode監(jiān)控板，查看諧振模式：
8. 透射譜計(jì)算即優(yōu)化
添加透過(guò)率監(jiān)控板，檢測(cè)計(jì)算透射結(jié)果，如下：
優(yōu)化諧振腔，添加波導(dǎo)通道，刪去通道上的納米孔
優(yōu)化透射譜線如下：
注意，本案只采樣計(jì)算了該波段內(nèi)的41個(gè)點(diǎn)，用戶可自行選取更多采樣計(jì)算點(diǎn)，使得計(jì)算譜線更加光滑流暢。
特定優(yōu)化光子晶體諧振腔結(jié)構(gòu)可以有效地實(shí)現(xiàn)特定波段的濾光作用。
最后，有需要?dú)g迎通過(guò)微信公眾號(hào)聯(lián)系我們。
展開 光纖激光器設(shè)計(jì)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(zhǎng)度下的功率分布情況
（4）徑向函數(shù)圖
點(diǎn)擊查看軟件介紹：
RP 系列 激光分析設(shè)計(jì)軟件
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