基于zemax的激光諧振腔設(shè)計(jì)015

1、Zemax激光光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)例應(yīng)用——自學(xué)案例匯編激光光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)例應(yīng)用——自學(xué)案例匯編015：基于：基于Zemax的激光諧振腔設(shè)計(jì)的激光諧振腔設(shè)計(jì)在這一節(jié)的實(shí)例中，我們將用Zemax進(jìn)行激光諧振腔的設(shè)計(jì)。激光諧振腔的理論包括衍射積分計(jì)算和高斯光束ABCD矩陣分析等，通?；８咚构馐C振腔可以采用ABCD矩陣光學(xué)分析最為簡(jiǎn)便實(shí)用。ABCD矩陣光學(xué)可以用于計(jì)算高斯光束的傳播變換，但不能直接計(jì)算諧振腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，因?yàn)橹C振腔必須滿足光束自洽條件。一

2、般情況下，我們?cè)O(shè)計(jì)諧振腔，是先選擇腔型結(jié)構(gòu)，例如晶體尺寸、諧振腔長(zhǎng)度、反射鏡曲率、元件位置等等，然后通過(guò)光束自洽條件，分析振蕩模式的參數(shù)，比如光斑尺寸、束腰位置、諧振腔穩(wěn)定性等等。但是這種方法比較被動(dòng)，不利于元件的有效利用，比如我們想在某個(gè)確定位置獲得束腰和合適的束腰大?。ɡ绶蔷€性光學(xué)要求）、或者腔長(zhǎng)、元件的位置空間有限，又得重新修改元件參數(shù)，再重新分析光束參數(shù)特性，比較繁瑣。這里，介紹一種筆者所謂的逆向設(shè)計(jì)方法，從光束參數(shù)的特性要求

3、來(lái)選擇合理的腔型結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)。假設(shè)有一個(gè)晶體棒，長(zhǎng)度為100mm，經(jīng)過(guò)泵浦光激活后由于熱透鏡效應(yīng)產(chǎn)生類(lèi)似于自聚焦透鏡的變換效果。因?yàn)榫w棒比較長(zhǎng)，不方便作為薄透鏡處理，所以用梯度折射率元件替代比較合適。而自聚焦透鏡的焦距，作為演示可隨意設(shè)置，通常在幾十mm至幾百mm范圍。晶體棒的直徑通常在3mm10mm范圍之間，但這個(gè)參數(shù)在光束分析時(shí)并沒(méi)有很?chē)?yán)格的意義。先將系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置為波長(zhǎng)1064mm，入瞳直徑設(shè)為10mm，視場(chǎng)默認(rèn)為0度。梯度折射

4、率元件用面型參數(shù)Gradient1確定，注意注意這里有很多種梯度折射率面型可以選擇，其他的設(shè)置參數(shù)較多，我們選擇最簡(jiǎn)單的一種。如圖151所示，Gradient1有四個(gè)主要參數(shù)確定，DeltaT為追跡使用的步長(zhǎng)，默認(rèn)為1，這里設(shè)為0.1；n0為介質(zhì)的基本折射率，查詢Nd:YAG的基本折射率為1.82；Nr2為二次折射率系數(shù)，Nr1為線性折射率系數(shù)，我們忽略線性折射率，只考慮二次折射率，Nr2的值設(shè)為0.00007。然后查看梯度折射率元件所

5、產(chǎn)生的等效焦距，大約為147mm，注意注意這個(gè)梯度折射率介質(zhì)的長(zhǎng)度只有50?！禡atlab輔助激光光學(xué)分析與應(yīng)用》作者出品Zemax激光光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)例應(yīng)用——自學(xué)案例匯編激光光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)例應(yīng)用——自學(xué)案例匯編圖153激光諧振腔3D光路結(jié)構(gòu)接著打開(kāi)Analysis→PhysicalOptics→ParaxialGaussianBeam旁軸高斯光束分析窗口，如圖154所示，將光束質(zhì)量因子設(shè)為1，起始束腰位置設(shè)在Surface1，并將迭代分析數(shù)據(jù)

6、的位置設(shè)為最后一個(gè)面（IMA）。然后，一邊修改起始束腰尺寸大小WaistSize，一邊Update觀察下面的數(shù)據(jù)，尤其是光斑尺寸Size和束腰尺寸Waist的值，當(dāng)這三個(gè)值幾乎完全相同時(shí)，說(shuō)明光束參數(shù)已經(jīng)滿足諧振腔的自洽條件，那么這時(shí)候的光束參數(shù)就是諧振腔的振蕩模式。手動(dòng)修改的方式也并不復(fù)雜，當(dāng)修改后的值變大或變小時(shí)，三者之間的差異越來(lái)越大，這說(shuō)明應(yīng)該往反方向修改，因?yàn)檫@個(gè)搜尋過(guò)程是單方向收斂的，只有唯一的基模參數(shù)滿足條件，修改幾次之后

7、，誤差在1%左右就差不多了，更精確也沒(méi)有什么意義了。通過(guò)搜索，我們發(fā)現(xiàn)在當(dāng)前諧振腔結(jié)構(gòu)下，起始基模高斯光束的束腰半徑尺寸為0.1813mm時(shí)，基本滿足自洽條件。點(diǎn)擊OK確認(rèn)，回到旁軸高斯光束數(shù)據(jù)窗口，可以查看每個(gè)面上的光束參數(shù)，如圖155所示。以為諧振腔是對(duì)稱的，所以滿足自洽條件的高斯光束在光路追跡的過(guò)程中也應(yīng)該是對(duì)稱的，從數(shù)據(jù)列表來(lái)看，也確實(shí)是這樣的，說(shuō)明尋找到的光束參數(shù)是正確的。如果你想查看某個(gè)指定位置的光束參數(shù)，可以在指定位置插入