ASLD固体激光器设计软件

发布：wjjandlh 2014-03-07 13:53 阅读：7142

ASLD是一款高效易用的固体激光器谐振腔设计、优化仿真工具。它可以从泵浦系统模型到谐振腔模拟，以及系统内光学、机械、热效应和电场等物理特性之间的相互影响。

ASLD在设计时就考虑到，目前也具有对连续波长和脉冲激光器的输出功率，多模分析以及光束质量的分析的功能。该软件也能够准确计算激光晶体内部的机械、光学以及热透镜效应。更进一步的，ASLD包含了强大而有效的算法来准确仿真分析系统谐振腔的稳定性和输出能量。

ASLD所具有的图形化界面允许用户直接在泵浦腔或激光谐振腔内中插入元件，并通过相应的窗口来定义光学元件的结构和特性参数。并且，仿真数据可以通过相对应的窗口来进行调整。这样通过图形界面调整元件结构及参数的操作能够大大提高系统设计效率。

ASLD主要功能：

1.热透镜效应分析
2.光束质量和输出功率分析（DMA）
3.激光器稳定性及束腰分析
4.泵浦光源分析
5.主动Q开关、被动Q开关、SHG
6、参数分析
7、数据材料

热透镜效应分析

在进行热透镜效应分析时需要对激光晶体的结构及热效应进行分析。

ASLD整合了三维有限元求解器，它能够在对包含长条、薄片激光晶体，或者微小泵浦源的系统进行仿真时提供快速准确的分析结果。

在ASLD中还包含了三维实时动态有限元分析功能。用户能够直接利用该功能查看脉冲泵浦系统中每次泵浦后热透镜效应的累积情况。

ASLD所提供的图形化用户界面帮助用户简单快速的对系统参数进行更改，例如您可以通过鼠标点击晶体来更改结构、位置、冷却设置等等参数。

1 小泵浦源的网格细化

在某些激光器中，泵浦光源的光束尺寸相对于激光晶体而言非常小。在对这样结构的系统进行模拟分析时需要使用到局部自适应的网格划分方法来准确反映系统参数。或者通过加大整体的网格数量来进行模拟计算，但是这样的方法不仅需要更多的计算时间，而且计算结果的准确性也很难保证。ASLD所使用的是第一种方法，在激光晶体的中心部分加入一个进行更精细划分的网格区域来准确包含模拟小泵浦源的激光系统。

2快速有限元分析（FEA）

ASLD借鉴并使用了有限元分析的现代概念和算法。其中包含初始分析的计算方法和半粗化多重网格算法。初始分析及其相对应使用的算法能够保证ASLD在系统包含实时动态FEA仿真并且包含大量的有限元时依然能够快速计算出仿真结果。半粗化多重网格算法能够保证ASLD在对包含超长激光晶体的系统仿真任务中更快的计算出所需的结果。

3实时动态热透镜效应分析

实时动态热透镜效应分析在对包含闪光灯泵浦和脉冲泵浦的激光器进行仿真时具有明显的优势。该功能能够仿真出闪光灯泵浦光源每次打开和关闭的过程中晶体内部的温度和结构变化以及使用脉冲泵浦时不同的脉冲周期对系统的影响。

4 FEA边界条件

ASLD包含的图形化用户界面能够帮助用户快速的设置FEA分析的边界条件该功能允许用户对激光晶体进行多个部分的划分并设置相应的条件。例如下图中所展示的就是利用该功能对激光晶体进行不同部分的冷却设置界面。

光束质量和输出功率分析（DMA）

动态多模分析能够仿真分析出系统输入光束半径、泵浦光源、谐振腔参数、耦合镜等多种参数和系统输出功率和质量因子之间的关系。

用户可以利用该功能对激光晶体的粒子数反转分布进行计算。ASLD会通过计算不同模式的速率方程来仿真激光器的动态模式行为。

1 自动抛物线拟合

在进行高斯模式分析的过程中通常需要对结构和温度数据进行多次抛物线拟合。通常这样的工作需要设计人员手工完成，该逆过程较为繁琐也容易出错。在ASLD中我们提供了针对结构和温度数据进行自动拟合的功能，该功能简便易用，并且能够在实时动态有限元分析过程中起到重要的作用。

激光器稳定性及束腰分析

ASLD通过对系统谐振腔参数和晶体热效应的仿真来计算得出固体激光器的稳定性及束腰参数。

1 高功率激光器的超高斯模式分析

ASLD提供超高斯模式的基本结构分析，能够仿真得到高功率激光器的输出功率和光束质量。下图展示了输入功率2600W，脉冲能量0.1066J的激光器仿真设置图。

2 精确的连续波长输出功率计算

在计算连续波长输出功率时一般需要引入一个时间相关的速率方程，该计算过程非常耗费时间。而ASLD提供了一种快速算法，能够在得到准且结果的同时节省大量的时间。

泵浦光源分析

ASLD内部整合的光线追迹模块能够对泵浦光源进行仿真可以如下特性进行仿真：

·光谱吸收

·散射效应

·光路反射

1 光线追迹

ASLD包含的光线追迹模块能够对谐振腔泵浦光源结构进行仿真。该功能通过使用对随机光线追迹的相关算法来仿真段面泵浦和侧面泵浦的结构。并且能够对二极管堆栈或其他条件形式的结构进行仿真。其中还包含参数分析功能，来研究泵浦波长的偏移和系统输出功率间的关系。

2 泵浦光谱

激光器泵浦光源为一系列波长组成的光谱。通常情况下，因为激光晶体对某种特定波长有较高的吸收尖峰，所以为了得到更精确的结果需要在仿真的过程中考虑到泵浦光源的光谱分布。 ASLD包含的模块能够仿真泵浦光源的光谱特性。

3 脉冲泵浦

激光器泵浦光一般情况下并不是连续的。例如闪光灯泵浦激光器的泵浦光源会随着时间不断的开关以得到脉冲激光输出。在这样的情况下，激光晶体的热效应需要利用实时动态有限元分析来仿真。ASLD允许用户利用扩展文件来对泵浦光的开光状况进行定义。

主动Q开关、被动Q开关、SHG

ASLD能够对系统内的主动和被动Q开关进行脉冲能量、脉冲宽度、光束质量以及泵浦频率进行分析。并且当系统内部包含可饱和吸收器时，能够对其的基态和激发态吸收横截面数据进行仿真分析。

1 可饱和吸收体Q开关

在设计小型或紧凑型被动Q开关激光器时经常会用到Cr4+掺杂的可饱和吸收体。ASLD能够对包含该类型Q开关，使用脉冲泵浦的系统进行仿真。

2 腔内倍频

我们在最新的ASLD版本中加入了倍频晶体的模拟。该功能允许用户对KTP等晶体产生的二次谐波（SHG）进行分析。ASLD能够分析激光腔体内部二次谐波产生的激光光束能量。

参数分析

ASLD内置参数分析工具。该工具能够帮助工程师对激光器的效率进行优化分析。参数分析功能能够对某一系统参数进行多次仿真，完成之后将多次仿真的结果在二维视图中表示出来。目前ASLD包含以下三个行参数分析工具：

·输入泵浦功率

·输出镜反射率

·泵浦光谱波长偏移

1 参数分析：输入泵浦功率

输入泵浦功率的提高会对激光器稳定性、输出功率、光束质量造成影响。ASLD能够对该参数进行仿真并以2D图的形式展示出来。

2 参数分析：输出镜反射率

通过优化输出耦合镜的反射率来得到系统的最大输出功率。

3 参数分析：泵浦光谱波长偏移

泵浦光源波长偏移会影响系统温度。ASLD能够仿真波长偏移对系统稳定性、输出功率以及其它参数的影响。

材料数据

ASLD包含激光晶体的材料数据。并且用户可以根据自己的需求随时添加新的材料。本软件所提供的图形化用户界面能够允许用户通过简单点击鼠标来添加新的材料。例如，激光晶体材料的特性受掺杂浓度的影响（对泵浦光的吸收效率，最大掺杂浓度，自发衰变率，…）ASLD能够在用户改变掺杂浓度后自动计算其它相关参数。

简单友好的图形化用户界面

ASLD使用了独特的面向对象编程概念，利用特殊的软件将所有的算法和功能封装在一个完整的软件中。从而使ASLD相对于其它激光器设计软件更加界面友好，更加高效和易于使用。当然，在保证上述优点的同时，ASLD依然能够保证用户在图形化界面内快速的改变需要仿真的激光谐振腔的各种参数。

南京光研软件系统有限公司

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关键词： ASLD 激光器

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