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    [分享]如何计算一个侧面泵浦棒的简单激光器谐振腔的热透镜效应 [复制链接]

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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2021-05-19
    目录 "ze-Mb  
    KdBpfPny@  
    1. 启动LASCAD并定义一个简单激光腔 1 L^jjf8_  
    2.定义并分析一个侧面泵浦棒 2 3=Q:{  
    2.1 选择晶体类型和泵浦结构 2 eIJ>bM  
    2.2 定义泵浦光分布 3 dEZUK vo  
    2.3 定义棒的冷却 7 zM,r0Z  
    2.4 定义材料参数 8 ]rG/?1'^i  
    2.5 定义复合材料 9 b'W.l1]<-  
    2.6 定义控制FEA 计算程序的选项 10 )bWopc  
    2.7 FEA 的可视化结果 12 \xlG3nz  
    2.7.1 三维观察器 12 0|Xz-Y  
    2.7.2 二维数据图和抛物线fit 12 s&hr$`V4  
    2.8 计算高斯模 13 g/FZ?Wo  
    2.9 在模式图中插入晶体 14 /&c2O X|Z  
    3.修改腔参数 14 mqj-/DN6*  
    4.用于分析激光腔特性的工具 15 )q66^% ;S  
    4.1 分析激光腔的稳定性 15 ;I&XG  
    4.2 显示横向高斯模分布图 16 6O <UW.  
    4.3. 输出激光功率计算 17 .g3=L  
    5. 光束传播编码(BPM) 19 "[eH|z/  
    /5<=m:  
    1. 启动LASCAD并定义一个简单激光腔 E.Q]X]q  
     选择Start/Programs/LASCAD/Lascad启动LASCAD, T](}jQxj`  
     定义一个工作目录, Sbl=U  
     点击“OK”,打开LASCAD主窗口, jsQHg2Vd  
     点击最左边的工具栏上的“New Project”按钮或者执行菜单项“File”, zak|* _  
     将“Number of Face Elements”增加到4, Z\$M)e8n  
     输入适当的波长并保持其它默认设置不变, | UlG@Mn  
     点击“OK”。 lYTQg~aPm  
    现在你可以看到在顶部的LASCAD的主菜单和在它下面的另外两个窗口,一个标题为“Standing Wave Resonator”,另一个是“Parameter Field”,如图1所示。上面的窗口显示了有四个元件的简单腔的模式图,下面的窗口显示腔的参数。在元件编号下面的纵行显示的是该元件的参数,比如每个反射镜的曲率半径,在行标签“Type-Param”里显示。想要改变元件类型,可以直接使用元件编号下面的下拉框,你可以选择反射镜、介质界面和透镜。元件编号之间的纵行里显示的参数定义了各元件之间的空间的特性,例如折射率,或者由抛物线折射率分布的二次微分导出的“Refractive Parameter”。关于这个窗口中其它的功能,例如如何插入或者清除一个元件,你可以在快速浏览第三部分或者手册里面找到。 ~nTj't2R  
    8IA1@0n&  
    图1
    zXM,cV/s   
    2.定义并分析一个侧面泵浦棒 H %c6I  
    2.1 选择晶体类型和泵浦结构 p#CjkL  
    点击LASCAD主窗口的菜单项“FEA/Parameter Input & Start of FEA Code”,打开题为“Crystal,Pump Beam and Materials Parameters”的窗口,如图2所示。注意六个标签,用于定义不同类型的参数。 1~'jC8&J  
    通过标签“Models”下面的列表可以选择不同的晶体和泵浦结构,我们选择“Side pumped cylindrical rod”。 AN:yL a!  
    在这个窗口的底部可以定义棒的尺寸,这个例子里,我们输入棒长16mm、直径3mm,如图2所示。为了研究程序是如何工作的,建议在做第一次试验的时候使用较短的棒尺寸,这样计算时间比较可靠。
    *i}X(sfe  
    图2
    ^DN:.qQ  
    )S 7+y6f&*  
    2.2 定义泵浦光分布 c:.~%AJx  
    选择标签“Pump Light”,打开如图3所示的窗口,有如下条目用于定义泵浦结构:空间设置、二极管特性、液流管道等。 b8e\(Dww  
    我们采用一个圆柱形的液流管道包围在棒的外面,在棒和管道之间是冷却液,管道外面是一个反射腔。 lH;V9D^  
    图3
    “Total incident pump power”是从二极管聚集到棒上的总功率。 F#>00b{Q  
    “Inner radius of flow tube”和“Outer radius of flow tube”分别是液流管道的内半径和外半径。如果你的模型里没有液流管道,将外径和内径设置得很接近,并将液流管道的折射率设成和液体的折射率一样。 PJcfiRa'jQ  
    “Radius of cylindrical reflector”是圆柱反射腔的半径,圆柱反射腔用来将第一次通过棒的泵浦光再反射回棒里面。 1$8@CT^m  
    “Distance of reflector from rod axis”不一定要和反射腔的半径完全一致,例如反射腔可以是平面的,当然在大部分情况下是相同的。如果没有反射腔,这一项的参数可以设置很大的数值。 <:V~_j6P0  
    如果你有很多组的二极管在棒周围,那么“Lenth of diode bars”和“Number of diode groups along rod axis”这两项的意义取决于二极管的排列。 Bb:C^CHIQm  
    如果二极管的放置是沿着光发射的方向,也就是平行于棒轴,在“Length of diode bars”中输入这一排的长度,在“Number of diode groups along rod axis”中输入1。 F~8'3!<9  
    如果二极管组的放置是有一定偏转角度的,如图4所示是沿着棒放置三组二极管的结构的泵浦光分布,在“Length of diode bars”中输入二极管的物理长度,“Number of diode groups along rod axis”中输入二极管组的数目。在图4中,每一组二极管由三个二极管条组成,并对称的安排在棒的周围。偏转角为60°。总的来说,如果棒周围的一组二极管数目为n,那么偏转角就是360°/2n。 =C2sl;7~*  
    'S1u@p,q  
    图4 :{2~s  
    o]~\u{o#.  
    “The number of irradiation directions”由棒周围的二极管数量决定,假定对沿着棒轴的所有二极管组此数值都是不变的。  kDE-GX"Y  
    “Angle between irradiation directions”是与棒轴垂直的平面里相邻二极管光束构成的角度,假定所有相邻光束间的角度是一样的。当然,二极管也并不一定要像图4所示那样在棒周围对称放置,例如你可以将两个二极管这样放置,使其光束成90°角,也就是相对于x轴正向,一个沿45°放置,一个沿-45°放置。 | DV?5>>  
    “Fast axis FWHM of diodes, degrees”(半高全宽角度)通常会在二极管的数据单中详细说明。 fO$){(]^  
    “Wavelength of pump light”和“Refractive index of crystal at pump wavelength”的意义就不解自明了,是用来计算通过棒的泵浦光的路径的。 :{#O   
    “x-coordinate of pump beam intersection point”可以用来定义该点对于棒轴的微小位移(不大于棒直径的百分之几),这在不对称照射的情况下是需要用的。 QXZyiJX}  
    在慢轴方向上,我们假设泵浦光为超高斯平顶分布,假设泵浦光线在与棒轴垂直的平面上传播。慢轴的发散可以近似考虑成增加了二极管条长度上的入口。 p_h/hTi  
    在快轴方向上泵浦光传播的形状可以用高斯ABCD定律来计算,快轴上泵浦光的发散角可以用这个式子来计算: 4SZ,X^]I>  
    X+C*+k,z  
    ZRG Cy5Rk  
    快轴轮廓假定是超高斯形的,也就是说垂直棒轴的强度分布假定是与成比例的,这里的σ取决于与二极管晶片表面的距离。 eD?&D_l~6  
    点击按钮“Show Pump Beam”(在图3左下),可以在模式图窗口看到泵浦光的快轴形状,如图5所示,光束是沿垂直棒轴的方向传播的。 V D~5]TQ  
    图5显示的是泵浦光从二极管晶片表面(元件0)开始传播,经过液流管道(元件1到2),液体(元件2到3),棒(元件3到4),又一次经过液体和液流管道(元件4到6);然后被元件7反射,反射回来之后泵浦光又一次在液流管道和液体以及棒中传播(元件10到11)。 2}A)5P*K  
    {YgU23;q  
     <@<bX  
    图5 `R$i|,9 )  
    在计算快轴的形状时,要考虑到晶体、液流管道和反射腔的曲率和折射率。因为高斯定律也包括了泵浦光的相关性,这可以使得在计算棒中传播的第一段路径时,得到比光线追踪编码方法更好的结果。在经过一个更高编号的元件之后,精确度会下降,因为球形畸变不在高斯定律的考虑之中。 a(|6)w-  
    点击按钮“Show Pump Light Distribution”(图3右下方)打开图6所示的窗口“Pump Beam Profile”。 \y5lYb,*c_  
    移动图下面的滑块不会改变泵浦的形状,因为已经假定其沿棒轴不变。但是如果你把滑块移到棒的泵浦区域以外,吸收能量密度就会消失。 I@MG ?ZQ  
    @QQ%09*  
    图6 J(l\VvK  
    :YI5O/gsk?  
    2.3 定义棒的冷却 b2OwLt9  
    点击标签“Boundaries”,打开如图7所示的窗口。 $ ]s^M=8  
    "5&"Ij,/  
    图7
    9h amxi  
    这些条目可以单独定义棒的各个表面的冷却条件。 `*3A7y  
    你可以选择冷却接触的是固体或者液体,对于后者我们再选中“Fluid Cooling”。 AP=h*1udk  
    在第一种情况下表面温度是恒定不变的,由方框“Temperature ,K”里面的数值确定,第二种情况下后面一个数值定义了液体的体积温度。 n.&7lg^X  
    在液冷的情况下还有一个薄膜系数(图7最下面一行)需要定义,这个描述了固体和液体表面的热传递。在LASCAD手册的6.10.3中有详述。 &t[[4+Qt  
    条目“Reference temperature”是用来计算形变的,用来与加热之前的晶体温度相适配。 Lw}-oE !U  
    当边缘温度是用开氏温标定义的时候,加入修正值是很重要的。 oI;ho6y)  
    冷却液不一定要延伸到管道的整个长度,因为有些地方没有用来侧面泵浦。填入“Surface extends from z=…”这一行的条目可以用来定义冷却表面准确的起点和终点。如图7所示的情况,冷却表面是从z=2mm开始,到z=14mm结束的,而总长16mm的棒的两端都没有冷却。坐标系的原点位于棒左端表面的中心。 ~;3yjO)l?)  
    在侧面泵浦的情况中,棒的两端冷却是不需要的。 c,xdkiy3  
    q< XFw-Pv  
    2.4 定义材料参数 DjM*U52Yfj  
    选择标签“Material Param”,打开如图8所示的窗口。 r8s>s6vm  
    这个条目是不言自明的,吸收系数用来描述泵浦光束的指数衰减,依照公式 计算,这是由于泵浦光子的吸收所引起的,由晶体的掺杂水平所决定,详细描述见手册附录。 -N*[f9EJB  
    Jy)=TJ!y  
    QQ:22848416954 备注:光学
    rx2)uUbR  
     
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