Zemax光学设计实例---激光器谐振器的设计与仿真

2020-10-27 23:13发布

本文经公众号:小小光   授权转载


 

导论:

一般情况下,我们设计谐振腔,是先选择腔型结构、晶体材料与尺寸、谐振腔长度、反射镜曲率等,然后通过光束自洽条件,分析激光振荡模式的参数,比如光斑尺寸、束腰大小、谐振腔稳定性等。

也可以从光束参数的要求来逆向选择合理的谐振腔参数,这种设计方法相对比较简单,可以省去很多重复修改谐振腔设计参数的环节。

 

ZEMAX仿真:

(1)    激光晶体的初始结构参数

激光晶体经过泵浦光激活后,由于热透镜效应会产生类似于自聚焦透镜的变换效果。由于激光晶体都比较长,不能作为薄透镜处理,所以用梯度折射率元件来仿真比较合适。热透镜产生的焦距一般在几十mm到几百mm。激光晶体的直径一般在1-20mm之间。

系统设置波长为1064nm,入瞳直径为10mm,视场为0度。

激光晶体梯度折射率用面型Gradient 1仿真,Gradient1的参数有4个,Delta T为追迹使用的步长,默认为1,这里设为0.1;n0为介质的中心折射率,我们使用的激光晶体是Nd:YAG,其中心折射率为1.82,Nr1为线性折射率系数,Nr2为二次折射率系数,我们忽略线性折射率,只考虑二次折射率,Nr2设为0.00007。

先将激光晶体的初始结构参数输入到LDE中,如下图:

   640 (1).png

                        

查看下此时由梯度折射率元件所产生的等效焦距约为147mm,如下图:

640.png


(2)    谐振腔的初始结构参数与优化

谐振腔的腔型选用简单的直线型对称结构,即两个腔镜的面型相同,晶体处于谐振腔的中心。

谐振腔的光束自洽条件指的是光束在谐振腔内一个往返之后,光束要具有完全的参数特性,因此,光线的追迹要通过所有面型2次,并回到原来的位置。

谐振腔的总长度为600mm,激光晶体的长度为100mm,激光晶体端面到反射镜的距离为250mm,腔反射镜的曲率半径为250mm,为凹面镜。

光束在谐振腔里面往返的追迹,如下图:

640 (2).png




打开3D Layout,查看谐振腔的光路结构,如下图:


640 (3).png

然后,打开Analysis-Gaussian Beams-Paraxial Gaussian Beam旁轴高斯光束分析窗口,打开setting对话框,将光束质量因子(M2 Factor)设置为1,起始束腰位置设置在Sur 1,即将Surf 1 to Waist设置为0,并将迭代分析数据的位置设为最后一个面(IMA)。如下图:


现在,我们要手动调整束腰尺寸(Waist Size)的大小,让下方的束腰尺寸(Waist)和光斑尺寸(Size)几乎完全一样,此时说明光束参数已经可以满足谐振腔的自洽条件了。如下图:

640 (5).png

查看旁轴高斯光束的数据窗口,这个时候每个面上的光束参数都是以谐振腔对称的,比如,Size列的第Surface 9和10,Surface 8和11。


640.JPG

(3)    基模体积的优化

以上仿真的谐振腔的基模体积比较小,即基模高斯光束的束腰比较小。基模体积比较小,更容易激发高阶模式,导致光斑模式变差和模式竞争。基模体积越大,高阶模式就越少,模式竞争也会越小,功率稳定性会越好,光束质量也会越好。

我们要实现基模束腰半径从0.1813mm加大到0.5mm,可以调整腔镜的曲率。

我们打开Analysis-Gaussian Beams-Paraxial Gaussian Beam旁轴高斯光束分析窗口,打开setting对话框,将光束质量因子(M2 Factor)设置为1,将束腰尺寸(Waist Size)设置为0.5,起始束腰位置还是设置在Sur 1,,并将迭代分析数据的位置设为Surface 5,即反射腔镜前的一个面。如下图:

640 (1).JPG

从上图看到,此时高斯光束波前曲率半径为128.2939,这个就是束腰半径为0.5mm时,对应腔镜的曲率半径,将这个数值输入到LDE中,如下图:

640 (2).JPG

再查看旁轴高斯光束的数据窗口,这个时候每个面上的光束参数也都是以谐振腔对称的。

这说明此时光束参数也已经可以满足谐振腔的自洽条件了。

640 (3).JPG


以上谐振腔的仿真,谐振腔是对称的,因此把起始面放在晶体棒的中心位置;如果谐振腔是不对称的,但晶体端面处的光束参数是对称的,也还可以将起始面放在晶体棒的中心位置;其他情况下,要找到一个位置为束腰位置,例如平面镜,将其设置为起始面,然后根据迭代数据找到指定位置的光束参数,再评价是否可以达到设计要求。

另外,这个方法不能直接评估谐振腔的稳定性和稳区范围,需要设计者用其他方法或根据经验进行判定。

(4)    查看光斑强度分布

打开Analysis-Physical Optics Propagation,点击setting对话框,将起始面设置为Surface 1,终止面设置为Surface17(IMA),将起始束腰尺寸设置为0.5,采样率设置为256×256,采样宽度设置为2×2,如下图:

640 (4).JPG

640 (5).JPG


此时光斑的强度分布,如下图:

640 (6).JPG

 

赞赏支持