| 小火龍果 |
2023-12-07 16:49 |
RP 系列激光分析設(shè)計(jì)軟件 | 如何處理仿真中的熱透鏡效應(yīng)
在許多激光器或放大器設(shè)備中，熱透鏡起著重要的作用，因此應(yīng)該在數(shù)值模擬中加以考慮。 2O+fjs
在本文中，我首先簡(jiǎn)要描述了熱透鏡的來(lái)源，然后向您展示如何在我們的軟件中處理這種效應(yīng)。 `XK+Y
G_5E#{u
什么是熱透鏡？ EWp'zbWP
當(dāng)激光增益介質(zhì)(例如激光晶體)被泵浦時(shí)，通常會(huì)產(chǎn)生一些熱量，這些熱量隨后需要通過(guò)熱傳導(dǎo)帶走。因此不可避免地會(huì)在增益介質(zhì)中形成溫度梯度。形成激光的熱透鏡效應(yīng)與以下物理機(jī)制相關(guān): Y6ORI
l 折射率與溫度相關(guān)。 z\6/?5D#v
l 晶體內(nèi)部的機(jī)械應(yīng)力也會(huì)改變折射率(光彈性效應(yīng))。 |7:{vA5
l 此外，機(jī)械應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致端面凸出，使激光晶體具有透鏡的形狀。 Jh`6@d
在一般情況下，首先提到的影響因素往往是最主要的。下圖顯示了一般情況下數(shù)值計(jì)算的溫度曲線。 ^SJa/I EZ.
j Khj 7dR
[attachment=123641] S+M:{<AR
圖1:模擬端面泵浦Nd:YAG棒的橫向泵浦強(qiáng)度分布(紅色)和熱分布(藍(lán)色)。溫度分布僅在晶體中心附近近似為拋物線，因此光束半徑等于泵浦光束半徑的激光模式將產(chǎn)生一些像差。 Yvxp(
1+NmiGKg
諧振腔設(shè)計(jì)中的熱透鏡效應(yīng) 2\L}Ka|v
我們的諧振器設(shè)計(jì)軟件RP Resonator基于ABCD矩陣算法計(jì)算激光諧振腔的模式特性。(準(zhǔn)確地說(shuō)，它使用一種擴(kuò)展矩陣(ABCDEF矩陣)來(lái)處理錯(cuò)位影響，但這與我們的上下文無(wú)關(guān)。) r57rH^Hc
這里，只能處理拋物線形狀的透鏡效應(yīng)，即沒有球差的透鏡效應(yīng)。軟件可以很容易地定義熱透鏡效應(yīng)的分布，例如，激光晶體被定義為一個(gè)“棱鏡”，因此可以指定參數(shù)n2，它是折射率的徑向相關(guān)性的二階系數(shù):n(r)= n0-0.5n2r2 。這個(gè)參數(shù)可以簡(jiǎn)化為熱透鏡的屈光度除以晶體長(zhǎng)度。屈光度可以從別處得知，或者至少在簡(jiǎn)化的情況下，可以用簡(jiǎn)單的公式從耗散功率密度計(jì)算出。一種常見的情況是提供一根至少在激光束體積內(nèi)被均勻泵浦的圓柱形棒。 TM$Ek^fQ.
原則上，也可以將具有一定屈光力的薄透鏡插入到激光晶體的左側(cè)或右側(cè)，或者當(dāng)將激光晶體分成兩部分時(shí)，插入到激光晶體的中間。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(zhǎng)度的大部分時(shí)，分布式透鏡很容易處理。 *h Bo,
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(jiǎn)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。 }ej-Lu,b3
Nbm=;FHB`
光纖和激光模擬中的熱透鏡效應(yīng) MnT+p[.
7).zed^
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。. VkD FR
[k_
*l\v qgv.Z
熱透鏡改變光纖模式 'P,F) *kh
T7!=KE_z
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。 $jKeJn8,
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(jiǎn)單的微分方程計(jì)算出來(lái)。(軟件的腳本語(yǔ)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。 MESPfS+
_ =oN Q
光束傳播中的熱透鏡效應(yīng) { 1j[RE
:fE*fU@
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(huì)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(lái)計(jì)算。 h |
+(
O-K!Bv^
Q
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(duì)其進(jìn)行端面泵浦。這時(shí)熱透鏡會(huì)產(chǎn)生一些像差。可以通過(guò)上述方式簡(jiǎn)單地模擬輸入的高斯光束單程通過(guò)時(shí)對(duì)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)。
|
|