LASCAD是一款專業(yè)強(qiáng)大的激光器設(shè)計(jì)軟件，提供了介于熱學(xué)和光學(xué)之間的復(fù)雜的多物理系統(tǒng)交互分析，適合小型激光軟件設(shè)計(jì)者使用。

【功能特色】

　　仿真組合

　　熱性能與腔結(jié)構(gòu)的有限元分析（FEA）方法對(duì)腔內(nèi)晶體的熱效應(yīng)進(jìn)行分析。

　　ABCD高斯光束傳輸矩陣，包括熱透鏡效應(yīng)和增益導(dǎo)引機(jī)制的分析。

　　多模與調(diào)Q 運(yùn)行的動(dòng)態(tài)分析（DMA）方法，分析激光光束的動(dòng)態(tài)特性以及 三維空間中的特性。

　　3D物理光學(xué)傳輸矩陣（BPM），包括了衍射與增益的動(dòng)態(tài)特性。

　　計(jì)算功能

　　分析熱場(chǎng)和光場(chǎng)的三維非線性相互作用，通常稱為熱透鏡效應(yīng)，這是固體激光器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題之一，

　　效率和功率輸出的計(jì)算，

　　多模競(jìng)爭(zhēng)、波束輪廓和光束質(zhì)量的建模

　　Q開關(guān)操作中脈沖形狀和脈沖能量的計(jì)算

　　數(shù)值本征模分析，

　　激光腔外的光束傳輸。

　　基于激光腔中的多物理效應(yīng)的量化模型，LASAD允許激光工程師在提交硬件之前控制和補(bǔ)償諧振器設(shè)計(jì)的各個(gè)特征。

【工作內(nèi)容】

　　熱效應(yīng)的有限元（FEA）分析

　　FEA 可以用于計(jì)算激光器晶體的溫度分布、變形、應(yīng)力和機(jī)械斷裂。計(jì)算過(guò) 程中需要考慮材料的參數(shù)、泵浦構(gòu)型以及冷卻結(jié)構(gòu)等。FEA 是技術(shù)物理領(lǐng)域中一 種眾所周知的求解差分方程的數(shù)值方法，例如，熱傳導(dǎo)方程。雖然在其他許多工 程領(lǐng)域，F(xiàn)EA 得到廣泛的成功應(yīng)用并且是一個(gè)不可或缺的方法，但是目前還沒(méi)有 在其他任何一款商用激光設(shè)計(jì)軟件上實(shí)現(xiàn)。

　　為了讓FEA 能夠直接應(yīng)用于激光腔的設(shè)計(jì)，LASCAD?對(duì)重要構(gòu)型進(jìn)行FEA 模 型預(yù)設(shè)計(jì)，例如，端面或者側(cè)面泵浦的棒狀、條狀以及盤狀激光器。多種材料或 者摻雜的晶體也有相關(guān)的模型，例如未摻雜的端面鏡。用戶可以自定義尺寸、FEA 網(wǎng)格、邊界條件以及模型中的其他參數(shù)。與溫度相關(guān)的材料參數(shù)也可以通過(guò)解析 式添加到模型中去。

　　被吸收的泵浦功率密度分布采用基于超高斯函數(shù)的解析近似表達(dá)式進(jìn)行表 征。為了實(shí)現(xiàn)吸收泵浦光的數(shù)值建模，LASCAD?支持從ZEMAX和TracePro的光線追 跡程序?qū)霐?shù)據(jù)。這些程序可以生成吸收泵浦功率密度的三維數(shù)據(jù)，可以直接導(dǎo)入到LASCAD?中。ZEMAX 和TracePro對(duì)模擬閃光燈泵浦或者非常規(guī)的泵浦結(jié)構(gòu)時(shí) 的泵浦光分布非常有用。

　　LASCAD提供一個(gè)開放的圖形語(yǔ)言，可以將泵浦光的分布，邊界狀態(tài)和FEA結(jié)果利用復(fù)雜的2D和3D圖形工具形象化。

　　ABCD 高斯光束傳播代碼

　　LASCAD提供一個(gè)開放的圖形語(yǔ)言，可以將泵浦光的分布，邊界狀態(tài)和FEA結(jié)果利用復(fù)雜的2D和3D圖形工具形象化。

　　將 FEA 的結(jié)果應(yīng)用到ABCD 傳輸矩陣，溫度分布， 以及溫度相關(guān)的折射率函數(shù)，在垂直光軸方向進(jìn)行拋 物線擬合。在擬合過(guò)程中，有限元 網(wǎng)格在沿著晶體軸和垂直的方向上又進(jìn)行劃分。用同 樣的方法可以完成晶體端面變形的擬合。對(duì)于很多結(jié) 構(gòu)，例如端面泵浦的晶體棒，上述擬合近似可以得到 的激光模式的可靠解。

　　激光模式的可靠解。 為了查看ABCD 傳輸矩陣的結(jié)果，沿著諧振腔軸 向的基模光斑尺寸以及高階模的厄米-高斯多項(xiàng)式 都會(huì)顯示出來(lái)。在晶體內(nèi)部，泵浦光與激光橫模之 間的疊加也可以直接顯示。為考慮 像散的影響，與腔軸垂直的兩個(gè)平面同時(shí)進(jìn)行計(jì)算。

　　對(duì)于駐波腔，可以基于產(chǎn)生g參數(shù)的諧振腔穩(wěn)定性獲得圖表。

　　計(jì)算激光器功率輸出可通過(guò)高斯光束模型以及吸收泵浦功率的密度計(jì)算得出，同時(shí)方便分析連續(xù)波激光和激光的瞬態(tài)過(guò)程。

　　通過(guò)晶體的軸線可以直觀的看到激光器模型與泵浦光束的重疊。

　　物理光學(xué)方法

　　在拋物線近似以及ABCD 傳輸矩 陣精度不夠的情況下，F(xiàn)EA 的結(jié)果可 以導(dǎo)入到物理光學(xué)代碼中進(jìn)行高精度 運(yùn)算。物理光學(xué)方法可以在不用拋物 線近似的情況下為光束在晶體中的傳播提供全景三維模擬。為此，物理光學(xué)方法采用了分步光束傳播方法 （BPM），以小步長(zhǎng)模擬光束在具有熱畸變的晶體中傳播過(guò)程。在計(jì)算過(guò)程中，BPM考慮了FEA 分析中得到的局 部折射率分布以及晶體端面形變。采用Fox-Li 迭代，BPM方法計(jì)算了光束在諧振腔中多次往返傳輸，最終收斂于基?；蛘叨鄠€(gè)高階橫模的疊加。在計(jì)算的過(guò)程中有兩個(gè)圖形窗口是打開的，一個(gè)給出了隨著迭代次數(shù)的增加， 輸出鏡上的光強(qiáng)分布，另一個(gè)窗口顯示了隨著諧振腔內(nèi)迭代的進(jìn)行，光斑的尺寸收斂過(guò)程以及同步計(jì)算的輸出功率。另 外，還可以打開一個(gè)顯示光束質(zhì)量的窗口。BPM方法還可以進(jìn)行腔內(nèi)本征模譜線的計(jì)算以及本征橫模的形狀計(jì)算。

　　鑒于光欄以及腔反射鏡尺寸有限，BPM 工具還考慮了增益的動(dòng)態(tài)特性以及衍 射效應(yīng)，這樣它比DMA的計(jì)算更接近實(shí)際情況。BPM另一個(gè)重要的特征就是它可以模擬諧振腔失調(diào)效應(yīng)。

　　激光瞬態(tài)特性

　　為了分析激光的瞬態(tài)特性，LASCAD?提供了多模以及調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)多模分析（DMA）工具。為此，LASCAD 采用有限元求解工具來(lái)求解與時(shí)間相關(guān)的速率方程組，其中包含了描述各個(gè)模式（預(yù)定義的高斯橫向本征模）光子數(shù)的方程。這種方法可以提供模式競(jìng)爭(zhēng)、功率輸出、光束質(zhì)量和脈沖形狀的詳細(xì)信息（請(qǐng)參見 LASCAD Tutorial 4: Dynamic analysis of multimode competition and Q-Switch operation ( PDF)）。模擬結(jié)果被證明與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果吻合得很好（請(qǐng)參見 "Dynamic multimode analysis of Q-switched solid state laser cavities"( PDF)）

　　動(dòng)態(tài)模式分析（DMA）可以提供以下重要功能：

　　1.    高重頻或者單脈沖調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)激光器輸出脈沖形狀以及輸出功率隨時(shí)間 變化曲線。

　　2.    調(diào) Q或者CW 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)激光器不同橫模的輸出功率。

　　3.    光束分布曲線的計(jì)算作為單個(gè)橫模的疊加。

　　4.    調(diào) Q或者CW 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)激光器的光束質(zhì)量因子M2。

　　5.    硬邊以及高斯光欄對(duì)光束質(zhì)量的影響。

　　6.    高斯以及超高斯型反射輸出鏡。