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　　LASCAD是一款專業強大的激光器設計軟件，提供了介于熱學和光學之間的復雜的多物理系統交互分析，適合小型激光軟件設計者使用。

【功能特色】

　　仿真組合

　　熱性能與腔結構的有限元分析（FEA）方法對腔內晶體的熱效應進行分析。

　　ABCD高斯光束傳輸矩陣，包括熱透鏡效應和增益導引機制的分析。

　　多模與調Q 運行的動態分析（DMA）方法，分析激光光束的動態特性以及 三維空間中的特性。

　　3D物理光學傳輸矩陣（BPM），包括了衍射與增益的動態特性。

　　計算功能

　　分析熱場和光場的三維非線性相互作用，通常稱為熱透鏡效應，這是固體激光器設計中的關鍵問題之一，

　　效率和功率輸出的計算，

　　多模競爭、波束輪廓和光束質量的建模

　　Q開關操作中脈沖形狀和脈沖能量的計算

　　數值本征模分析，

　　激光腔外的光束傳輸。

　　基于激光腔中的多物理效應的量化模型，LASAD允許激光工程師在提交硬件之前控制和補償諧振器設計的各個特征。

【工作內容】

　　熱效應的有限元（FEA）分析

　　FEA 可以用于計算激光器晶體的溫度分布、變形、應力和機械斷裂。計算過 程中需要考慮材料的參數、泵浦構型以及冷卻結構等。FEA 是技術物理領域中一 種眾所周知的求解差分方程的數值方法，例如，熱傳導方程。雖然在其他許多工 程領域，FEA 得到廣泛的成功應用并且是一個不可或缺的方法，但是目前還沒有 在其他任何一款商用激光設計軟件上實現。

　　為了讓FEA 能夠直接應用于激光腔的設計，LASCAD?對重要構型進行FEA 模 型預設計，例如，端面或者側面泵浦的棒狀、條狀以及盤狀激光器。多種材料或 者摻雜的晶體也有相關的模型，例如未摻雜的端面鏡。用戶可以自定義尺寸、FEA 網格、邊界條件以及模型中的其他參數。與溫度相關的材料參數也可以通過解析 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的解析近似表達式進行表 征。為了實現吸收泵浦光的數值建模，LASCAD?支持從ZEMAX和TracePro的光線追 跡程序導入數據。這些程序可以生成吸收泵浦功率密度的三維數據，可以直接導入到LASCAD?中。ZEMAX 和TracePro對模擬閃光燈泵浦或者非常規的泵浦結構時 的泵浦光分布非常有用。

　　LASCAD提供一個開放的圖形語言，可以將泵浦光的分布，邊界狀態和FEA結果利用復雜的2D和3D圖形工具形象化。

　　ABCD 高斯光束傳播代碼

　　LASCAD提供一個開放的圖形語言，可以將泵浦光的分布，邊界狀態和FEA結果利用復雜的2D和3D圖形工具形象化。

　　將 FEA 的結果應用到ABCD 傳輸矩陣，溫度分布， 以及溫度相關的折射率函數，在垂直光軸方向進行拋 物線擬合。在擬合過程中，有限元 網格在沿著晶體軸和垂直的方向上又進行劃分。用同 樣的方法可以完成晶體端面變形的擬合。對于很多結 構，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-高斯多項式 都會顯示出來。在晶體內部，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，與腔軸垂直的兩個平面同時進行計算。

　　對于駐波腔，可以基于產生g參數的諧振腔穩定性獲得圖表。

　　計算激光器功率輸出可通過高斯光束模型以及吸收泵浦功率的密度計算得出，同時方便分析連續波激光和激光的瞬態過程。

　　通過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。

　　物理光學方法

　　在拋物線近似以及ABCD 傳輸矩 陣精度不夠的情況下，FEA 的結果可 以導入到物理光學代碼中進行高精度 運算。物理光學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，物理光學方法采用了分步光束傳播方法 （BPM），以小步長模擬光束在具有熱畸變的晶體中傳播過程。在計算過程中，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方法計算了光束在諧振腔中多次往返傳輸，最終收斂于基模或者多個高階橫模的疊加。在計算的過程中有兩個圖形窗口是打開的，一個給出了隨著迭代次數的增加， 輸出鏡上的光強分布，另一個窗口顯示了隨著諧振腔內迭代的進行，光斑的尺寸收斂過程以及同步計算的輸出功率。另 外，還可以打開一個顯示光束質量的窗口。BPM方法還可以進行腔內本征模譜線的計算以及本征橫模的形狀計算。

　　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態特性以及衍 射效應，這樣它比DMA的計算更接近實際情況。BPM另一個重要的特征就是它可以模擬諧振腔失調效應。

　　激光瞬態特性

　　為了分析激光的瞬態特性，LASCAD?提供了多模以及調Q運轉的動態多模分析（DMA）工具。為此，LASCAD 采用有限元求解工具來求解與時間相關的速率方程組，其中包含了描述各個模式（預定義的高斯橫向本征模）光子數的方程。這種方法可以提供模式競爭、功率輸出、光束質量和脈沖形狀的詳細信息（請參見 LASCAD Tutorial 4: Dynamic analysis of multimode competition and Q-Switch operation ( PDF)）。模擬結果被證明與實驗測量結果吻合得很好（請參見 "Dynamic multimode analysis of Q-switched solid state laser cavities"( PDF)）

　　動態模式分析（DMA）可以提供以下重要功能：

　　1.    高重頻或者單脈沖調Q運轉時激光器輸出脈沖形狀以及輸出功率隨時間 變化曲線。

　　2.    調 Q或者CW 運轉時激光器不同橫模的輸出功率。

　　3.    光束分布曲線的計算作為單個橫模的疊加。

　　4.    調 Q或者CW 運轉時激光器的光束質量因子M2。

　　5.    硬邊以及高斯光欄對光束質量的影響。

　　6.    高斯以及超高斯型反射輸出鏡。