[技术]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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1. 启动LASCAD并定义一个简单激光腔 1 nBLb1T  
2．定义并分析一个侧面泵浦棒 2 =dwy 4  
2.1 选择晶体类型和泵浦结构 2 4T$DQK@e  
2.2 定义泵浦光分布 3 n1aOpz6`  
2.3 定义棒的冷却 7 2a;[2':  
2.4 定义材料参数 8 Z?d][zGw  
2.5 定义复合材料 9 sgnc$x"  
2.6 定义控制FEA 计算程序的选项 10 `4?|yp.|L  
2.7 FEA 的可视化结果 12 !x\\# 9  
2.7.1 三维观察器 12 =**Q\Sl  
2.7.2 二维数据图和抛物线fit 12 'MW O3  
2.8 计算高斯模 13 Ms5R7<O.7  
2.9 在模式图中插入晶体 14 uH(M@7"6_!  
3．修改腔参数 14 0|i|z!N>  
4．用于分析激光腔特性的工具 15 CMyz!jZ3  
4.1 分析激光腔的稳定性 15 8C?E1f
H\  
4.2 显示横向高斯模分布图 16 ]826kpq_  
4.3. 输出激光功率计算 17 =p7id5"  
5. 光束传播编码（BPM） 19 )||CU]"b?  
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1. 启动LASCAD并定义一个简单激光腔 .;S1HOHz4  
 选择Start/Programs/LASCAD/Lascad启动LASCAD， yu
@Pd3  
 定义一个工作目录， x<OVtAUB  
 点击“OK”，打开LASCAD主窗口， Jw>na _FJ  
 点击最左边的工具栏上的“New Project”按钮或者执行菜单项“File”， kZ]pV=\Y*  
 将“Number of Face Elements”增加到4， B&BL<X r  
 输入适当的波长并保持其它默认设置不变， =diGuIB  
 点击“OK”。 7z&$\qu2  
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。 NTO.;S|2%  
W`P>vK@=  
2.定义并分析一个侧面泵浦棒 MttFB;Tp  
2.1 选择晶体类型和泵浦结构 uRYq.`v,  
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。 2[j`bYNe  
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”。 ?>I  
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。 ]"?<y s  
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2.2 定义泵浦光分布 !N_eZPU.v  
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。 M ac?HI  
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。 f*IvaY  
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“Total incident pump power”是从二极管聚集到棒上的总功率。 'm"Ez'sS  
“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。“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。 P}>>$$b\Yi  
“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。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。 'cAS>s"$}V  
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。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。 3OY(L`  
“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。 ):nC%0V  
“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。“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。 ?<5KLvGv  
“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。“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。 H0yM`7[y  
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。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： $9xp@8b\_  
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ZG{#CC
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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。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。 WS?Y8~+{5  
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）。 c,M"a  
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。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”。  B@*!>R  
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。 T
wr,O;*u=  
2.3 定义棒的冷却点击标签“Boundaries”，打开如图7所示的窗口。 这些条目可以单独定义棒的各个表面的冷却条件。 {*r!oD!'  
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”。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。 A/fM30  
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。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。 4x?I,cAN  
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。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。 :S7[<SwL  
在侧面泵浦的情况中，棒的两端冷却是不需要的。 i70\`6*;B  
2.4 定义材料参数 Tj\hAcD  
选择标签“Material Param”，打开如图8所示的窗口。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。