下载文档原格式
ASLD 功能介绍1 热透镜分析1.1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。
1.2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。
1.3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。
1.4FEA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。
1.5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。
2动态模式分析2.1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。
光电系统模拟与仿真设计报告姓名:学号:专业:光电技术学院实验一Zemax仿真设计实验目的1．熟悉Zemax实验环境，练习使用元件库中的常用元件组建光学系统。
2．利用Zeamx的优化功能设计光学系统并使其系统的各项性能参数达到最优。
实验内容（1、2中任选一个，3必做）1、显微物镜系统设计在图1 显示一个10X 显微物镜。
其包含二组远距的胶合双重透镜（Lister型式）。
NA：0.25；EFL=0.591。
表1 提供了这个设计的数据。
第一镜面到像距为0.999。
第一镜面到物距为6.076。
最后一面供作保护面之用。
畸变=0.26﹪。
图1 10倍显微物镜系统表1 10倍显微物镜参数要求：（1）运用zemax软件仿真实现该系统，并进行像质评价和分析，给出多个波长和多个视场的像质评价和分析。
（2）改变某一Lens Data，观察像质评价和分析，然后设置该Lens Data为变量并进行优化，再观察像质评价和分析，最后比较优化前后结果，在此基础上多选几个变量进行优化看能否得到更好的像质。
（3）在原有系统基础上再加一个单透镜或双透镜，选取一定的参数进行优化，看能否得到更好像质的系统。
（4）改变系统波长，观察像质评价和分析，重复完成（3），比较优化前后像质情况。
2、望远镜头系统设计在图2 是一个望远镜头具有20°视场以及EFL=5 。
这个镜组的资料给定在表2。
图2 望远镜头系统表2 望远镜头系统参数要求：（1）运用zemax软件仿真实现该系统，并进行像质评价和分析，给出多个波长和多个视场的像质评价和分析。
（2）改变某一Lens Data，观察像质评价和分析，然后设置该Lens Data为变量并进行优化，再观察像质评价和分析，最后比较优化前后结果，在此基础上多选几个变量进行优化看能否得到更好的像质。
（3）在原有系统基础上再加一个单透镜或双透镜，选取一定的参数进行优化，看能否得到更好像质的系统。
（4）改变系统波长，观察像质评价和分析，重复完成（3），比较优化前后像质情况。
专业课程设计固体激光器谐振腔稳定性分析与光束仿真学院：姓名：学号：班级：指导教师：二〇二〇年六月目录摘要 (1)一、概述 (1)1.1 课程设计的目的 (1)1.2课程设计的任务 (1)二、课程设计相关理论 (2)2.1光束的传输矩阵 (2)2.2 谐振腔稳定性条件 (3)三、课程设计结果 (3)3.1 任务一 (3)3.1.1问题分析 (3)3.1.2程序代码 (4)3.1.3 运行结果 (6)3.1.4 结果分析 (6)3.2任务二 (6)3.2.1问题分析 (7)3.2.2程序代码 (7)3.2.3 运行结果 (9)3.2.4 结果分析 (11)四、遇到问题及问题解决 (11)五、体会与收获 (12)固体激光器谐振腔稳定性分析与光束仿真摘要：本次课程设计主要进行固体激光器谐振腔稳定性分析与光束仿真。
学习了解光线传输矩阵与谐振腔稳定条件的基本原理，分析光线的传播过程，得出ABCD 矩阵。
利用MATLAB软件编写程序，分析谐振腔的稳定性，并对谐振腔内的光线进行追迹，直观的观察到光线在稳定性不同的谐振腔内的传播轨迹。
关键词：MATLAB、固体激光器谐振腔、稳定性分析、光线仿真一、概述1.1 课程设计的目的1、掌握光线传输的ABCD矩阵和谐振腔稳定条件；2、使用MATLAB软件编程分析谐振腔稳定性，并仿真谐振腔内光束传输；1.2课程设计的任务1、如下图所示的谐振腔：（1）用MATLAB程序计算光线在腔内的轨迹；（2）演示腔的稳定时和非稳定时光线在腔内往返次数增加时光线轨迹，初始光线任意选择；）确定能够使谐振腔达到稳定状态的腔长L的范围。
（3图1 两球面镜组成的谐振腔122、如图所示的谐振腔，由球面放射镜和平面放射镜之间插入一薄透镜构成。
图2 平面镜和凹面镜之间插入薄透镜谐振腔（1）分析计算透镜与平面镜之间的距离在什么范围内腔是稳定的；（2）在腔稳定情况下，演示在腔内往返100次以上时光线轨迹；二、课程设计相关理论2.1光束的传输矩阵光学传输矩阵表示形式如下:(r 1θ1)=(AB C D )(r 0θ0) 其中，r 0是离轴距离，θ0是光线与轴线夹角。
一些常用光学设计软件及其应用方向分类:默认栏目【①】LensVIEW 2003.1-ISO 1CD(世界著名的光学设计数据库)【②】LensVIEW 2001-ISO 1CD(世界著名的光学设计数据库)Focus.Software产品:Zemax v2003-1-6 with manuals & tutorial(专业光学CAD软件,解密,好用的版本)Zemax 用的中国玻璃库Zemax使用说明书(总计526页)Focus Floor Covering Software 2.0cOptical Research Associates产品:Code V 9.5(世界上应用的最广泛的光学设计和分析软件)Code V 英文使用手册(总计112MBREAULT产品:ASAP v8.0-ISO 1CD(光学分析设计软件合集完全版,包括用户手册、使用实例,解密完全)ASAP 正版光源库9CDASAP v8.0中文入门指南ReflectorCAD 1.5(中文汉化,ASAP的配套软件,专门用于车灯灯罩设计)Lighting.Technologies产品:PhotoPIA v2.0(快速且精确的光度分析程序)LAS-CAD GmbH产品:LASCAD 3.02(德国LAS-CAD GmbH所开发之固态激光仿真设计分析软件,它是世界上第一套可分析固态激光中光与热特性的多重物理交互作用效应的软件,LASCAD可用来设计传统的气态(Gas)激光,闪光灯(Flash Lamp)激发式固态激光(SSL)与二极管激发式固态激光(DPSSL-Diode Pumped Solid State Laser)RSoft, Inc产品：BeamPROP.v5.1.9.vs.ullwave.v3.0.9.BandSOLVE.v1.3.4.DiffractMOD.1.0.1.GratingMOD.v1.1.3 BeamPROP.v5.1.9.vs集成光导器件的设计及模拟的软件,用类似CAD的界面进行设计,器件的输出能对不同输入光信号进行模拟Fullwave:对复杂光器件进行时域限差模拟,能得到准确的答案BandSolve:光晶体元件的设计及模拟GraingMOD:能设计任意基于集成光导的光栅和滤波器并能根据输入光普推导出光栅的设计Optiwave产品：OptiFDTD 5.0(时域光子学仿真软件,用来模拟先进的被动元件和非线性光电元件)OptiBPM v6.0(用于设计及解决不同的积体及光纤导波问题,光束传播法,或称为BPM是OptiBPM的核心,而其是一种一步接着一步来模拟光通过任何波导物质的行为,BPM可以允许观察任一点被模拟出的光场分布,而且可以容许同时检查辐射光及被传播的光场)OptiSystem 3.0(光通信系统模拟软件,可以设计、测试,与最佳化几乎任何一种在光网路系统的宽谱中的物理层次光连结)TracePro 3.2.2专家版-ISO 1CD(光学机构仿真软件,普遍用于照明系统、光学分析、辐射分析及光度分析的光线仿真)Agi32.v1.61.50(最新照明设计软件)Apollo.Photonic.Suite.v2.2.WinALL(光子学设计软件,可用于光材料、器件、波导和光路等的设计)DynaLS v2.0(粒子及光谱分析软件)PVSOL N 2.5(光电系统)Rayfront 1.04(灯具设计开发包)Radiant ProMetric v8.1.32(是一款基于Windows的CCD影像光度和色度测量系统)SigView v1.9.0.1(实时光谱分析软件)Glastik.Professional.v1.0.79(玻璃厚度演算的有限元软件)TracePro 3.2.4 Update onlyTracePro 3.0 用户手册扫描书334MB(扫面效果一般) 1CDTracePro source.光源灯泡库Radiant Prometric 8.1.19(光学测量工业工具)Radiant Prometric Imaging v8.0(CCD亮度、颜色测试、测量和制造QC/QA系统软件)Lighttools V4.0(基于三维立体模型的照明和光学设计软件,可用于模拟照明系统)LucidShape v1.2(光学设计仿真分析)LucidShape 中文学习资料OSLO Light 6.2-ISO 1CD(光学软件,带中文说明书)RSoft LinkSIM v3.4a(光学通讯模拟软件包。
激光器谐振腔光路调试思路一、前言激光器谐振腔光路调试是激光器制备过程中必不可少的一个环节。
它能够有效地检测激光器的性能，提高激光器的输出功率和稳定性。
本文将详细介绍激光器谐振腔光路调试的思路和方法。
二、激光器谐振腔1. 概述激光器谐振腔是由两个反射镜组成的空间，通过该空间内反射镜之间的多次反射，使得激发介质中产生的辐射能够不断地被放大，形成一束强度非常高、相干性非常好、波长非常单一的激光束。
2. 谐振腔类型（1）Fabry-Perot腔：由两个平面反射镜组成，可以将多条波长为λn=nλ0（n为整数）的模式放大。
（2）倍频腔：由一个基频反射镜和一个倍频反射镜组成，可以将基频模式转化为倍频模式。
（3）倍增腔：由一个基频反射镜和一个倍增反射镜组成，可以将基频模式转化为倍增模式。
三、激光器谐振腔光路调试思路1. 概述激光器谐振腔光路调试是指通过合理的调整反射镜的位置和角度，使得激光能够在谐振腔内不断地反射，从而达到放大的目的。
其主要思路如下：（1）确定谐振腔类型：根据激光器的工作原理和实际需求，确定所采用的谐振腔类型。
（2）安装反射镜：将反射镜安装在谐振腔两端，并调整好其位置和角度。
（3）粗略调试：首先将激光器开启，观察激光输出情况，并通过微调反射镜位置和角度，使得激光输出稳定。
（4）精细调试：进一步微调反射镜位置和角度，并使用相应的测试仪器检测激光器输出功率、波长等参数，直到达到最佳状态。
2. 具体步骤（1）确定谐振腔类型：根据实际需求选择合适的谐振腔类型，如Fabry-Perot腔、倍频腔或倍增腔。
（2）安装反射镜：将反射镜安装在谐振腔两端，并调整好其位置和角度。
在调整反射镜位置时，应该先确定一个基准点，然后根据实际需要进行微调。
在调整反射镜角度时，应该使用角度计或光学平台进行精细调整。
（3）粗略调试：首先将激光器开启，观察激光输出情况，并通过微调反射镜位置和角度，使得激光输出稳定。
此时可以使用功率计、波长计等测试仪器对激光器进行初步测试。
LASCAD-激光谐振腔设计软件LASCAD 介绍•计算机上的光学工作平台•激光谐振腔分析与设计工具•教学工具LASCAD 计算机上的光学工作平台尽管LASCAD提供复杂的工程工具，它的一个基本原则是创造一个容易使用的程序。
它提供了一个程序化用户界面，可作为PC上的光学工作台，用于激光谐振器的直观设计。
这样人们就可以在实验室或交流会上了解实验结果，而不需花费很长时间去看复杂的说明书或者键入大量数字：•光学元件如平面镜、透镜、或晶体可以用单击鼠标来加入、合并、拉动、调整、或消除•全面考虑了谐振器和晶体的象散现象•有限元分析、ABCD矩阵及波动光学编码可以在菜单条中选择LASCAD 激光腔体分析与设计工具LASCAD 激光腔体分析与设计工具FEA 可以用于计算激光器晶体的温度分布、变形、应力和机械断裂。
计算过程中需要考虑材料的参数、泵浦构型以及冷却结构等。
FEA 是技术物理领域中一种众所周知的求解差分方程的数值方法，例如，热传导方程。
虽然在其他许多工程领域，FEA 得到广泛的成功应用并且是一个不可或缺的方法，但是目前还没有在其他任何一款商用激光设计软件上实现。
为了让FEA 能够直接应用于激光腔的设计，LASCAD对重要构型进行FEA 模型预设计，例如，端面或者侧面泵浦的棒状、条状以及盘状激光器。
多种材料或者掺杂的晶体也有相关的模型，例如未掺杂的端面镜。
用户可以自定义尺寸、FEA 网格、边界条件以及模型中的其他参数。
与温度相关的材料参数也可以通过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数的解析近似表达式进行表征。
为了实现吸收泵浦光的数值建模，LASCAD?支持从ZEMAX和TracePro的光线追迹程序导入数据。
这些程序可以生成吸收泵浦功率密度的三维数据，可以直接导入到LASCAD中。
ZEMAX 和TracePro对模拟闪光灯泵浦或者非常规的泵浦结构时的泵浦光分布非常有用。
ABCD 高斯光束传播代码LASCAD提供一个开放的图形语言，可以将泵浦光的分布，边界状态和FEA 结果利用复杂的2D和3D图形工具形象化。
1.高重频大能量激光泵浦系统总体方案、主要组成、工作流程及工作模式1.1总体技术方案根据国内外脉冲激光器的调研结果, 直接获得重频10kHz、纳秒脉冲宽度和几十毫焦单脉冲能量的激光脉冲是十分困难的。
假设采用闪光灯泵浦的固体激光器方案，可以很容易获得几十毫焦甚至焦耳量级的大脉冲能量输出，但其重频一般在几十Hz〔典型10~20Hz〕，无法实现高达10kHz的重复频率；同时，由于闪光灯的发射光谱为宽谱，光谱覆盖紫外到红外波段，与激光介质的吸收光谱〔吸收带宽一般在几个纳米〕匹配效果差，这导致废热严重，不但给激光器带来严重的热效应，也造成激光器效率低下，光束质量差。
另外，闪光灯几百小时的工作寿命也大大限制了其工程应用。
综上所述，闪光灯泵浦的固体激光器方案难以满足本工程指标及应用需求。
相比之下，采用半导体激光器〔LD〕作为泵浦源，其发射波长可与激光增益介质的吸收光谱实现很好的匹配，大大降低了激光器热效应的影响，提高了激光器的效率，因此LD泵浦的固体激光器〔DPSSL〕通常具有效率高和光束质量好等优点。
为满足本工程大能量的要求，本高重频大能量激光泵浦系统可采用振荡—放大〔MOPA，Master Oscillator and Power Amplifier〕构造，即此激光泵浦系统由激光振荡级和激光放大级组成，依靠激光振荡级获得高重频、低脉冲能量的激光输出，依靠激光放大级获得满足工程要求的大脉冲能量激光输出，同时对入射脉冲的宽度和光束质量也不会造成影响。
经激光放大级输出的高重频大能量的1064nm激光，经过高效频率扩展后，便可获得满足工程指标要求的高重频大能量的532nm/355nm泵浦光。
同时，为了保证输出激光的稳定性，还需辅以高效的激光系统热控技术。
综上所述，总体技术方案可归纳如下：为获得高重复频率大脉冲能量的激光脉冲序列，首先利用激光振荡级获得高重频的激光脉冲，然后利用普克尔盒选取局部脉冲组成脉冲串，脉冲串内的脉冲数量可通过控制普克尔盒加载电压的持续时间决定，最后利用振荡-放大〔MOPA，Master Oscillator and Power Amplifier〕构造对选取的脉冲串进展能量放大。
激光谐振腔模式研究的MATLAB 实现光信1001班 刘吉祥 U201013222摘要：谐振腔内的模式计算是分析激光器输出光束质量的前提和基础。
本文在matlab 环境下，采用Fox_Li 数值迭代法计算了条形腔、矩形腔、圆形腔、倾斜腔的自再现模的振幅分布和相位分布，并比较了腔形、菲涅尔数、初始光强分布、倾斜扰动等因素对最终模式的影响，具有一定的实际应用价值。
1. 原理说明设初始时刻在镜I 上有某一个场分布1u ，则当波在腔中经第一次渡越而到达镜II 时，将在镜II 上形成一个新的场分布2u ，场2u 经第二次渡越后又将在镜I 上形成一个新的场分布3u 。
每次渡越时，波都将因为衍射损失一部分能量，并引起能量分布变化，如此重复下去……由于衍射主要是发生在镜的边缘附近，因此在传播过程中，镜边缘附近的场将衰落得更快，经多次衍射后所形成的场分布，其边缘振幅往往都很小（与中心处比较），具有这种特征的场分布受衍射的影响也将比较小。
可以预期：在经过足够多次渡越之后，能形成这样一种稳态场：分布不再受衍射的影响，在腔内往返一次后能够“再现”出发时的场分布，即实现了模的“自再现”。
光学中的惠更斯—菲涅尔原理是从理论上分析衍射问题的基础，该原理的严格数学表示是菲涅尔—基尔霍夫衍射积分。
设已知空间任意曲面S 上光波场地振幅和相位分布函数为),(y x u '',由它所要考察的空间任一点P 处场分布为),(y x u ，二者之间有以下关系式：⎰⎰+=-S ik dS e y x u ik y x u ')cos 1()','(4),(θρπρ式中，ρ为),(y x ''与),(y x 连线的长度，θ为S 面上点),(y x ''处的法线和上述连线之间的夹角，s d '为S 面上的面积元，k 为波矢的模。
本文采用Fox —Li 数值迭代法实现了条形腔、矩形腔、圆形腔、倾斜腔的自再现模的形成。
VirtualLab软件操作和实例剖析培训讲义内容概要•VirtualLab软件整体介绍•软件功能介绍•VirtualLab软件建模指导•VirtualLab软件优化方法介绍•VirtualLab衍射光学元件的设计和优化•VirtualLab软件光栅的建模和分析VirtualLab软件整体介绍•软件开发背景介绍•场追迹技术介绍•场追迹和光线追迹的比较•软件应用领域介绍VirtualLab软件整体介绍•软件开发背景介绍•场追迹技术介绍•场追迹和光线追迹的比较•软件应用领域介绍软件开发背景介绍•世界光谷——德国耶拿由左至右：蔡司，阿贝和肖特软件开发背景介绍•世界光谷——德国耶拿软件开发背景介绍•现代光学的建模需求软件开发背景介绍•现代光学的基础1.阿贝成像理论2.衍射的分辨率极限3.超越光线追迹的设计和建模•包含了物理光学效应的光学建模、分析和设计会更加真实•计算机技术的发展，在光学应用中发挥了巨大的作用软件开发背景介绍•契合现代光学建模要求——VirtualLabFrank Wyrowski教授LightTrans公司VirtualLab软件软件开发背景介绍•应用计算光学小组@ IAP软件开发背景介绍•Wyrowski Photonics and LightTrans软件开发背景介绍•VirtualLab FusionVirtualLab软件整体介绍•软件开发背景介绍•场追迹技术介绍•场追迹和光线追迹的比较•软件应用领域介绍场追迹技术介绍•光学建模的任务光源元件以及自由空间的传播探测器场追迹技术介绍•光源场的电磁场描述✓电磁场由六个场矢量描述：✓由于，因此磁场方向的分量可以用电场描述：✓由于，电场在Z 方向的分量可以由其它分量来描述：[]Tz y x z y x H H H E E E V ,,,,,=()()w r H iwu w r E ,;0=⨯∇()z y x E E E H H ,,=()0;=⋅∇w r E ()yx z z E E E E ,=[]Ty x E ,E V =场完全可以用来描述场追迹技术介绍•光源场的电磁场描述Donut Mode Source–Z方向电场–Y方向磁场–X方向坡印廷矢量场追迹技术介绍•光场在元件以及自由空间的传输[]T in yin xinE,E V =[]T out yout xoutE,EV=inout SV V =场追迹技术介绍•光场在自由空间的传输•自由空间传输✓自动传输算子✓平面波谱算子✓菲涅尔传输算子✓混合平面波谱/菲涅尔算子✓远场算子✓几何光学算子场追迹技术介绍•光场在自由空间的传输•光源参数✓高斯光束✓15°发散角（全角）•自由空间传输算子✓自动传输算子•自由空间传输距离✓10um✓100um✓1000um场追迹技术介绍•光场在自由空间中传输（自动传输算子）场追迹技术介绍•光场在自由空间传输10um传输距离1mm传输距离100um传输距离场追迹技术介绍•光场在元件间的传输[]T in y inx in E ,E V =[]Tout y outx out E ,E V =in out cV V =•元件传输方法✓几何光学传输（GeOp ）✓薄元逼近（TEA)✓傅里叶模式法（FMM ）✓有限元法（FEM ）✓迭代傅里叶变换方法（IFTA)✓………….场追迹技术介绍•统一化建模技术——集合了几何光学建模技术和物理光学建模技术，以对一个光学系统进行统一化建模FDTDField Tracing TechniquesFEM free space (SPW)gratings (FMM)layersplane interface (Fresnel)more …lenses, etc. (GeOp)slight scatterer, DOE (TEA)free space: Fresnel, far fieldweak variation: BPMmore …场追迹技术介绍•针对光学系统的不同部分使用不同的传输技术free space (SPW)lenses, etc. (GeOp)free space: Fresnel, far field场追迹技术介绍•越来越多的追迹技术将会被融合到VirtualLab之中VirtualLab软件整体介绍•软件开发背景介绍•场追迹技术介绍•场追迹和光线追迹的比较•软件应用领域介绍场追迹技术和光线追迹技术的比较•光的描述✓场追迹技术：使用电磁场来描述光✓光线追迹技术：使用光线来描述光•光的传输✓场追迹技术：多种建模技术应用于一个光学系统✓光线追迹技术：对整个光学系统应用一种建模技术•与场追迹技术相比，光线追迹技术在一定程度上限制了用户的应用场追迹技术和光线追迹技术的比较•平面波经球透镜后的光线追迹，场追迹EX方向的振幅分布和相位分布VirtualLab软件整体介绍•软件开发背景介绍•场追迹技术介绍•场追迹和光线追迹的比较•软件应用领域介绍软件应用领域介绍•波动光学模拟和激光系统设计•分析和控制超短脉冲•衍射光学元件光束整形、分束和扩散•光栅的分析和优化•激光谐振腔的分析和优化•LED光和激光的均匀化和整形软件功能介绍•五大工具箱基本工具箱衍射光学工具箱光栅工具箱激光谐振腔工具箱照明工具箱软件功能介绍•基本工具箱——纳米、微米以及宏观光学的统一化建模✓对透镜，微光学和衍射光学元件进行统一建模✓对时间和空间部分相干光源进行建模✓对超短脉冲进行建模✓建模过程中考虑了干涉、衍射、散射以及像差效应✓客户自定义元件和传输模型✓光学系统的参数优化软件功能介绍•基本工具箱——纳米、微米和宏观光学的统一化建模包含有宏观光学元件和微光学元件的统一化建模✓输入光场✓宏观光学元件成像✓微观光学元件成像软件功能介绍•基本工具箱——纳米、微米和宏观光学的统一化建模可以对包含干涉、衍射、散射和像差和矢量效应的光学系统进行建模软件功能介绍•基本工具箱——纳米、微米和宏观光学的统一化建模✓空间光调制器模拟✓时间部分相干光干涉模拟可以对空间光调制器以及部分相干光进行模拟仿真软件功能介绍•基本工具箱——纳米、微米和宏观光学的统一化建模可以模拟飞秒，阿秒脉冲以及脉冲色散效应，时间和空间的演化等软件功能介绍•基本工具箱——纳米、微米和宏观光学的统一化建模✓优化前光斑大小✓优化后光斑大小可以使用优化功能，对结果进行分析和优化软件功能介绍•衍射光学工具箱——衍射和微光学元件的设计✓设计衍射分束器以获得规则的或任意分布的光束阵列✓设计衍射扩散器以获得规则的或2D光强分布的图案✓设计衍射整形器以将高斯光束整形成均匀强度分布，如环形、高帽和线形等✓利用迭代傅里叶变换算法对衍射光学元件进行优化✓利用参数运行优化方法对衍射光学元件进行公差分析软件功能介绍•衍射光学工具箱——衍射和微光学设计可以进行衍射光束整形器设计✓入射高斯光束✓整形后光强均匀分布的高帽高斯光束软件功能介绍•衍射光学工具箱——衍射和微光学设计可以进行衍射光束分束器设计✓入射高斯光束✓分束后获得的图案分束光束软件功能介绍•衍射光学工具箱——衍射和微光学设计可以进行衍射光束扩束器设计✓入射的高斯光束✓光束经扩散器所获得的任意2D图案分布软件功能介绍•衍射光学工具箱——衍射和微光学设计可以进行衍射分束器的设计并可将设计的元件结构.gds文件导出以用作加工✓衍射分束器设计✓衍射分束器一个周期的结构软件功能介绍•衍射光学工具箱——衍射和微光学设计光束经实际加工出来的衍射元件所获得的效果✓线形扩散器和环形扩散器✓任意图案的分束器软件功能介绍•光栅工具箱——光栅结构的设计和严格的电磁场分析✓2D和3D光栅尺寸从纳米到毫米量级✓对各种光栅进行严格和近似的电磁场分析和设计✓计算光栅的衍射级次、偏振、反射、透射、吸收以及内部场✓一般照明的严格光栅分析✓公差分析、参数变化和参数优化软件功能介绍•光栅工具箱——光栅结构的设计和严格的电磁场分析可以进行2D和3D光栅的设计和模拟✓矩形光栅——2D光栅✓截锥金字塔光栅——3D光栅软件功能介绍•光栅工具箱——光栅结构的设计和严格的电磁场分析可以进行三角光栅的内部场分析✓一个周期的内部场分布✓四个周期的内部场分布软件功能介绍•光栅工具箱——光栅结构的设计和严格的电磁场分析可以进行衍射级次和衍射效率分析✓一维光束衍射效率分析图✓极坐标下各级次透射和反射所对应的角度以及效率软件功能介绍•光栅工具箱——光栅结构的设计和严格的电磁场分析左图：优化后的娥眼抗反射结构；中图：未优化的结构波长和反射率的关系；右图：优化后的结构波长和反射率的关系软件功能介绍•激光谐振腔工具箱——谐振腔本征模分析✓计算谐振腔系统的本征模，包括基膜和高阶模以及本征值和输出耦合模✓稳态和非稳态腔模拟✓将微结构和DOE作为谐振腔的一部分进行模拟，同时客户可自定义孔径✓从LASCAD中导入谐振腔系统进行分析✓进行谐振腔的公差分析软件功能介绍•激光谐振腔工具箱——谐振腔本征模分析可以计算激光谐振腔系统的基模和高阶模✓热透镜激光谐振腔基模✓热透镜激光谐振腔高阶模。
激光谐振腔的matlab实现
1 激光谐振腔基础理论
激光谐振腔是激光器的重要组成部分，其中光就像在两个镜子之间反复跳跃一样，在腔体内不断往返，产生增幅作用，形成强烈的光束输出。
理解和分析激光
谐振腔的物理模型，是设计和优化激光器的关键步骤，对于实现激光器性能的提升有着重要的影响。
2 Matlab在激光谐振腔中的应用
Matlab作为一种高效的数值计算编程语言，在激光谐振腔的研究中也找到了广泛的应用。
在Matlab环境下，我们可以通过建立数学模型来模拟腔体内部的光场
分布、激光输出的特性等，并且可以通过改变模型中的参数，完成对激光谐振腔不同工作状态的模拟实验。
3 Matlab实现激光谐振腔模拟的步骤
首先，我们需要定义与激光腔体相应的一组物理参数，如镜背的曲率、镜面间距离等。
然后，根据物理理论，写出描述腔体光场的基本方程，并转化为差分形式。
最后，利用Matlab的数值计算功能，以这些方程为基础，进行一系列的计算和模拟。
4 算例展示
例如，我们要模拟一个简单的平面-平面腔体。
设镜面间距为d，激活介质厚度为L，初始激光场为单色平面波，初始功率为P0，我们可以先计算激光场在腔内的能量分布，再将该能量分布转化为光电流，最后将光电流转化为光强分布，得到激光输出。
以上是用Matlab实现激光谐振腔模拟的基本步骤，具体的代码和参数需要根
据实际问题实际分析。
总之，凭借Matlab强大的数值计算能力和可视化功能，我
们可以有效地模拟和优化激光谐振腔，进一步提升激光器的性能。
LASCAD-激光谐振腔设计软件LASCAD 介绍•计算机上的光学工作平台•激光谐振腔分析与设计工具•教学工具LASCAD 计算机上的光学工作平台尽管LASCAD提供复杂的工程工具，它的一个基本原则是创造一个容易使用的程序。
它提供了一个程序化用户界面，可作为PC上的光学工作台，用于激光谐振器的直观设计。
这样人们就可以在实验室或交流会上了解实验结果，而不需花费很长时间去看复杂的说明书或者键入大量数字：•光学元件如平面镜、透镜、或晶体可以用单击鼠标来加入、合并、拉动、调整、或消除•全面考虑了谐振器和晶体的象散现象•有限元分析、ABCD矩阵及波动光学编码可以在菜单条中选择LASCAD 激光腔体分析与设计工具LASCAD 激光腔体分析与设计工具FEA 可以用于计算激光器晶体的温度分布、变形、应力和机械断裂。
计算过程中需要考虑材料的参数、泵浦构型以及冷却结构等。
FEA 是技术物理领域中一种众所周知的求解差分方程的数值方法，例如，热传导方程。
虽然在其他许多工程领域，FEA 得到广泛的成功应用并且是一个不可或缺的方法，但是目前还没有在其他任何一款商用激光设计软件上实现。
为了让FEA 能够直接应用于激光腔的设计，LASCAD对重要构型进行FEA 模型预设计，例如，端面或者侧面泵浦的棒状、条状以及盘状激光器。
多种材料或者掺杂的晶体也有相关的模型，例如未掺杂的端面镜。
用户可以自定义尺寸、FEA 网格、边界条件以及模型中的其他参数。
与温度相关的材料参数也可以通过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数的解析近似表达式进行表征。
为了实现吸收泵浦光的数值建模，LASCAD?支持从ZEMAX和TracePro的光线追迹程序导入数据。
这些程序可以生成吸收泵浦功率密度的三维数据，可以直接导入到LASCAD中。
ZEMAX 和TracePro对模拟闪光灯泵浦或者非常规的泵浦结构时的泵浦光分布非常有用。
ABCD 高斯光束传播代码LASCAD提供一个开放的图形语言，可以将泵浦光的分布，边界状态和FEA 结果利用复杂的2D和3D图形工具形象化。
将FEA 的结果应用到ABCD 传输矩阵，温度分布，以及温度相关的折射率函数，在垂直光轴方向进行抛物线拟合。
在拟合过程中，有限元网格在沿着晶体轴和垂直的方向上又进行划分。
用同样的方法可以完成晶体端面变形的拟合。
对于很多结构，例如端面泵浦的晶体棒，上述拟合近似可以得到的激光模式的可靠解。
激光模式的可靠解。
为了查看ABCD传输矩阵的结果，沿着谐振腔轴向的基模光斑尺寸以及高阶模的厄米-高斯多项式都会显示出来。
在晶体内部，泵浦光与激光横模之间的叠加也可以直接显示。
为考虑像散的影响，与腔轴垂直的两个平面同时进行计算。
对于驻波腔，可以基于产生g参数的谐振腔稳定性获得图表。
计算激光器功率输出可通过高斯光束模型以及吸收泵浦功率的密度计算得出，同时方便分析连续波激光和激光的瞬态过程。
通过晶体的轴线可以直观的看到激光器模型与泵浦光束的重叠。
物理光学方法在抛物线近似以及ABCD 传输矩阵精度不够的情况下，FEA 的结果可以导入到物理光学代码中进行高精度运算。
物理光学方法可以在不用抛物线近似的情况下为光束在晶体中的传播提供全景三维模拟。
为此，物理光学方法采用了分步光束传播方法（BPM），以小步长模拟光束在具有热畸变的晶体中传播过程。
在计算过程中，BPM考虑了FEA 分析中得到的局部折射率分布以及晶体端面形变。
采用Fox-Li 迭代，BPM方法计算了光束在谐振腔中多次往返传输，最终收敛于基模或者多个高阶横模的叠加。
在计算的过程中有两个图形窗口是打开的，一个给出了随着迭代次数的增加，输出镜上的光强分布，另一个窗口显示了随着谐振腔内迭代的进行，光斑的尺寸收敛过程以及同步计算的输出功率。
另外，还可以打开一个显示光束质量的窗口。
BPM方法还可以进行腔内本征模谱线的计算以及本征横模的形状计算。
鉴于光栏以及腔反射镜尺寸有限，BPM 工具还考虑了增益的动态特性以及衍射效应，这样它比DMA的计算更接近实际情况。
BPM另一个重要的特征就是它可以模拟谐振腔失调效应。
激光瞬态特性为了分析激光的瞬态特性，LASCAD?提供了多模以及调Q运转的动态多模分析（DMA）工具。
为此，LASCAD 采用有限元求解工具来求解与时间相关的速率方程组，其中包含了描述各个模式（预定义的高斯横向本征模）光子数的方程。
这种方法可以提供模式竞争、功率输出、光束质量和脉冲形状的详细信息（请参见LASCAD Tutorial 4: Dynamic analysis of multimode competition and Q-Switch operation ( PDF)）。
模拟结果被证明与实验测量结果吻合得很好（请参见"Dynamic multimode analysis of Q-switched solid state laser cavities"( PDF)）动态模式分析（DMA）可以提供以下重要功能：1. 高重频或者单脉冲调Q运转时激光器输出脉冲形状以及输出功率随时间变化曲线。
2. 调Q或者CW 运转时激光器不同横模的输出功率。
3. 光束分布曲线的计算作为单个横模的叠加。
4. 调Q或者CW 运转时激光器的光束质量因子M2。
5. 硬边以及高斯光栏对光束质量的影响。
6. 高斯以及超高斯型反射输出镜。
LASCAD 激光教学辅助工具尽管LASCAD?主要是为激光工程开发的，但是其易于操作的用户界面使得它非常适合于教学以及培训科学工作者和工程师。
高斯光束的基本原理可以在使用过程中得到学习，复杂的谐振腔结构构型，包括热透镜效应，光栏，调Q等都可以清楚地进行演示。
LASCAD 结果验证及展望德国凯泽斯劳滕大学R. Wallenstein 教授领衔的激光小组多年来一直使用这款软件进行具有复合晶体高功率二极管泵浦激光器的分析设计与优化。
他们一系列的实验测量结果已经验证了模拟结果的准确性非常高，参见图6。
目前LAS-CAD 公司已经参与到政府支持的研究项目：Simulation and Optimization of Innovative Laser Systems。
在该项目中LAS-CAD公司与7 家德国的激光器制造商、艾尔兰根大学、德国古庭根激光实验室等合作，开发新的谐振腔数值模拟工具。
其中一个最新的合作成果就是前面已经提到的DMA。
DMA模拟得到的数值结果已经被参与合作的德国Inno Las 公司实验验证，参见文章Dynamic multimode analysis of Q-switched solid state laser cavities in Optics Express, Vol. 17,17303 -17316 (2009)。
该项目另一个研究目标是开发一种FEA方法为谐振腔内的电磁场方程提供一个动态的三维解。
初步结果已经发表在Photonics West 2009，具体参见Finite element simulation of solid state laser resonators in Proceedings of SPIE Vol. 7194-16 (2009)。
LASCAD功能LASCAD 三大基本思想•计算机上的光学工作平台•激光谐振腔分析与设计工具•教学工具LASCAD 计算机上的光学工作平台尽管LASCAD提供复杂的工程工具，它的一个基本原则是创造一个容易使用的程序。
它提供了一个程序化用户界面，可作为PC上的光学工作台，用于激光谐振器的直观设计。
这样人们就可以在实验室或交流会上了解实验结果，而不需花费很长时间去看复杂的说明书或者键入大量数字：•光学元件如平面镜、透镜、或晶体可以用单击鼠标来加入、合并、拉动、调整、或消除•全面考虑了谐振器和晶体的象散现象•有限元分析、ABCD矩阵及波动光学编码可以在菜单条中选择LASCAD 激光腔体分析与设计工具热效应的有限元（FEA）分析FEA 可以用于计算激光器晶体的温度分布、变形、应力和机械断裂。
计算过程中需要考虑材料的参数、泵浦构型以及冷却结构等。
FEA 是技术物理领域中一种众所周知的求解差分方程的数值方法，例如，热传导方程。
虽然在其他许多工程领域，FEA 得到广泛的成功应用并且是一个不可或缺的方法，但是目前还没有在其他任何一款商用激光设计软件上实现。
为了让FEA 能够直接应用于激光腔的设计，LASCAD?对重要构型进行FEA 模型预设计，例如，端面或者侧面泵浦的棒状、条状以及盘状激光器。
多种材料或者掺杂的晶体也有相关的模型，例如未掺杂的端面镜。
用户可以自定义尺寸、FEA 网格、边界条件以及模型中的其他参数。
与温度相关的材料参数也可以通过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数的解析近似表达式进行表征。
为了实现吸收泵浦光的数值建模，LASCAD?支持从ZEMAX和TracePro的光线追迹程序导入数据。
这些程序可以生成吸收泵浦功率密度的三维数据，可以直接导入到LASCAD?中。
ZEMAX 和TracePro对模拟闪光灯泵浦或者非常规的泵浦结构时的泵浦光分布非常有用。
LASCAD提供一个开放的图形语言，可以将泵浦光的分布，边界状态和FEA 结果利用复杂的2D和3D图形工具形象化。
ABCD 高斯光束传播代码LASCAD提供一个开放的图形语言，可以将泵浦光的分布，边界状态和FEA 结果利用复杂的2D和3D图形工具形象化。
将FEA 的结果应用到ABCD 传输矩阵，温度分布，以及温度相关的折射率函数，在垂直光轴方向进行抛物线拟合。
在拟合过程中，有限元网格在沿着晶体轴和垂直的方向上又进行划分。
用同样的方法可以完成晶体端面变形的拟合。
对于很多结构，例如端面泵浦的晶体棒，上述拟合近似可以得到的激光模式的可靠解。
激光模式的可靠解。
为了查看ABCD 传输矩阵的结果，沿着谐振腔轴向的基模光斑尺寸以及高阶模的厄米-高斯多项式都会显示出来。
在晶体内部，泵浦光与激光横模之间的叠加也可以直接显示。
为考虑像散的影响，与腔轴垂直的两个平面同时进行计算。
对于驻波腔，可以基于产生g参数的谐振腔稳定性获得图表。
计算激光器功率输出可通过高斯光束模型以及吸收泵浦功率的密度计算得出，同时方便分析连续波激光和激光的瞬态过程。
通过晶体的轴线可以直观的看到激光器模型与泵浦光束的重叠。
物理光学方法在抛物线近似以及ABCD 传输矩阵精度不够的情况下，FEA 的结果可以导入到物理光学代码中进行高精度运算。
物理光学方法可以在不用抛物线近似的情况下为光束在晶体中的传播提供全景三维模拟。
为此，物理光学方法采用了分步光束传播方法（BPM），以小步长模拟光束在具有热畸变的晶体中传播过程。
