- 計算機上的光學工作平臺
- 鐳射諧振腔分析與設計工具
- 教學工具
LASCAD 電腦上的光學工作平臺
儘管LASCAD提供複雜的工程工具，它的一個基本原則是創造一個容易使用的程式。 它提供了一個程式化使用者介面，可作為PC上的光學工作台，用於鐳射諧振器的直觀設計。 這樣人們就可以在實驗室或交流會上瞭解實驗結果，而不需花費很長時間去看複雜的說明書或者鍵入大量數位：
- 光學元件如平面鏡、透鏡、或晶體可以用單擊滑鼠來加入、合併、拉動、調整、或消除
- 全面考慮了諧振器和晶體的象散現象
- 有限元分析、ABCD矩陣及波動光學編碼可以在功能表條中選擇
LASCAD 鐳射腔體分析與設計工具
熱效應的有限元（FEA）
分析 FEA 可以用於計算機晶體的溫度分佈、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並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鐳射設計軟體上實現。
為了讓FEA 能夠直接應用於鐳射腔的設計，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、條狀以及盤狀雷射器。 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。 使用者可以自定義尺寸、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佈採用基於超高斯函數的解析近似表達式進行表 徵。 為了實現吸收泵浦光的數值建模，LASCAD？支援從ZEMAX和TracePro的光線追 跡程式導入數據。 這些程式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 的泵浦光分佈非常有用。
LASCAD提供一個開放的圖形語言，可以將泵浦光的分佈，邊界狀態和FEA結果利用複雜的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，可以將泵浦光的分佈，邊界狀態和FEA結果利用複雜的2D和3D圖形工具形象化。
將 FEA 的結果應用到ABCD 傳輸矩陣，溫度分佈， 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。 對於很多結 構，例如端面泵浦的晶體棒，上述擬合近似可以得到的鐳射模式的可靠解。
鐳射模式的可靠解。 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。
對於駐波腔，可以基於產生g參數的諧振腔穩定性獲得圖表。
計算機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鐳射和鐳射的瞬態過程。
通過晶體的軸線可以直觀的看到雷射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類比。 為此，物理光學方法採用了分步光束傳播方法 （BPM），以小步長類比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 部折射率分佈以及晶體端面形變。 採用Fox-Li 反覆運算，BPM方法計算了光束在諧振腔中多次往返傳輸，最終收斂於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視窗是打開的，一個給出了隨著反覆運算次數的增加， 輸出鏡上的光強分佈，另一個窗口顯示了隨著諧振腔內反覆運算的進行，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品質的視窗。 BPM方法還可以進行腔內本徵模譜線的計算以及本徵橫模的形狀計算。
鑒於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另一個重要的特徵就是它可以類比諧振腔失調效應。
激光瞬態特性
為了分析鐳射的瞬態特性，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 採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徵模）光子數的方程。 這種方法可以提供模式競爭、功率輸出、光束品質和脈衝形狀的詳細資訊（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. 高重頻或者單脈衝調Q運轉時激光器輸出脈衝形狀以及輸出功率隨時間 變化曲線。
2. 調 Q 或者 CW 運轉時雷射器不同橫模的輸出功率。
3. 光束分佈曲線的計算作為單個橫模的疊加。
4. 調 Q 或者 CW 運轉時雷射器的光束品質因數 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。
LASCAD 鐳射教學輔助工具
儘管 LASCAD？主要是為鐳射工程開發的，但是其易於操作的使用者介面使得它 非常適合於教學以及培訓科學工作者和工程師。 高斯光束的基本原理可以在使用 過程中得到學習，複雜的諧振腔結構構型，包括熱透鏡效應，光欄，調Q等都可 以清楚地進行演示。
LASCAD 結果驗證及展望
德國凱澤斯勞滕大學R. Wallenstein 教授領銜的激光小組多年來一直使用 這款軟體進行具有複合晶體高功率二極管泵浦鐳射器的分析設計與優化。 他們一 系列的實驗測量結果已經驗證了模擬結果的準確性非常高，參見圖6。 目前 LAS-CAD 公司已經參與到政府支援的研究專案：Simulation and Optimization of Innovative Laser Systems。 在該專案中LAS-CAD公司與7 家 德國的雷射器製造商、艾爾蘭根大學、德國古庭根激光實驗室等合作，開發新的 諧振腔數值類比工具。 其中一個最新的合作成果就是前面已經提到的DMA。 DMA 模 擬得到的數值結果已經被參與合作的德國Inno Las 公司實驗驗證，參見文章 Dynamic multimode analysis of Q-switched solid state laser cavities in Optics Express， Vol. 17,17303 -17316 (2009)。 該專案另一個研究目標是開 發一種FEA 方法為諧振腔內的電磁場方程提供一個動態的三維解。 初步結果已經 發表在Photonics West 2009，具體參見Finite element simulation of solid state laser resonators in Proceedings of SPIE Vol. 7194-16 (2009)。
