RP Resonator 激光谐振腔设计软件|全面解析

RP Resonator 

激光谐振腔设计软件

可以用来设计优化光学谐振腔。不仅可以模拟谐振腔特性，而且软件可以计算热透镜效应、失调、色散、Gouy 相移、简并度等对光束半径和光腔模式的影响。软件同时可以用于设计给定要求的激光腔,比如给定在特定位置的模式大小,最小灵敏度，热透镜效应和失调、最小畸变的光束质量等。

用于设计和优化光学谐振腔的强大工具

RP Resonator V4是一款功能强大的光学谐振腔计算软件。特别是，它可用于生产优化的激光谐振腔设计。其用户界面结合了最大的灵活性和简单的启动，使该软件适用于工业环境中的快速计算以及高级研究。不要浪费时间使用可疑来源的免费谐振腔设计软件 - 只有使用高质量的软件工具如RP Resonator才能使专业工作变得高效和高效。

从简单的形式开始

我们有各种演示文件，包含方便的定制表单，您可以很容易地开始使用。参见线性或环形激光谐振器示例:

在执行计算时，您将得到各种图表(此处未显示)。您还可以在表单中显示输出。进一步的数值输出可以出现在右侧的输出区域。

一个很棒的特性是，这些表单和计算不是硬连接的:您可以获得脚本文件，在其中可以根据您的特定需要轻松地修改表单和计算!例如，你可以在谐振器中引入更多的光学元件或创建额外的图。如果您觉得实行起来很难，可以联系我们获得有用的技术支持。您甚至可以根据您对所需内容的非正式描述获得完整的新脚本。

脚本编写是非常灵活和简单的！

在RP Resonator中，您可以定义一个文本形式的谐振器结构，即，在一个脚本中。例如，一个蝴蝶结环形谐振器可以定义如下:

各种参数值，如臂长a和臂长b被分配给变量(此处未显示)，臂长d通过使用一个简单的三角表达式从这些变量中计算出来。(您也可以使用向导表单，在其中添加一些参数，从这些参数中自动生成所需的代码。)

显示谐振腔和绘制光束半径与位置的关系同样简单，如下:

第一个生成的图表显示在这里:

类似地，所有其他类型的任务都可以通过几行脚本代码轻松完成——例如:

• 生成其他图形图表，使您的谐振腔或其他任何器件的属性可视化。

• 定义一个价值函数作为优化目标的精确定义，并对一些谐振腔参数进行数值优化，使该函数的值成为最小值。

• 在一个文本文件或二进制文件中保存任何计算数据-基本上任何文件格式都可以生成。

与其他谐振腔设计软件相比，RP Resonator的灵活性要大得多。例如，您可以用一些数学表达式计算谐振腔设置的任何参数。您甚至可以在循环内生成谐振腔组件，因此，通过改变单个参数，您甚至可以在设置上修改组件的数量。(例如，您可以声明您想要N个晶体序列，中间有一些空气空间和透镜或镜子。)此外，您可以自动优化谐振腔参数，使自由定义的价值最小化。对于复杂的谐振腔设计任务，这样的功能不仅是好的，而且是必不可少的。

许多强大功能

RP Resonator V4主要特征如下：

• RP Resonator 软件可以计算各种光学谐振腔的特性，如光束半径的变化，谐振腔模式对热透镜和失调的敏感性，几何效应引起的色散，Gouy相移，谐振腔模式的频率简并等。请注意，这其中的许多方面与所实现的激光性能是非常相关的。

• 它还促进了复杂的设计优化。可以很容易地定义任意种类的优点值，并使用改进的算法，通过调整选定的谐振腔特性来最小化这个优点值。如有必要，可以观察到任意的边界条件，如保持一定的对称性，限制某些量的差值，等等。

• 该软件可以绘制谐振腔设置，并且基本上可以提供任意绘图来显示其所有性质。

• 这个软件有一个非常通用的用户界面。它是由强大的脚本语言控制的。此外，它还提供了一个输入向导表单，在这个表单中，只需填写表单就可以生成所需的大部分脚本代码。只需在表单字段中输入数字甚至数学表达式，就会立即看到生成的相应脚本代码。也可以制作定制表单，也就是为特定应用量身定制的表单——由您自己制作或在技术支持范围内制作。

• 由于这个软件是由脚本语言控制，您可以获得极大的灵活性。例如，您可以定义一个谐振腔模型，在这个模型中，您有多次穿过激光晶体，可以根据几个给定的参数自动计算详细的臂长和角度。然后您可以通过手动或自动调整这些参数来优化谐振腔。

• 在学习和使用软件的过程中，我们除了有详细的PDF手册之外，还有一个广泛的反应迅速的在线帮助系统。

有了以上这些特点，软件可以在各种各样的情况下应用。当然，最重要的应用可能是激光谐振腔的设计。详情参考“演示”部分（此处不显示）。

软件的功能

RP Resonator可以计算光学谐振腔的特性。更具体地说，该软件计算光束半径和谐振腔模式的灵敏度，例如，热透镜和偏心量，几何效应的色散，Gouy相移，谐振腔模式的频率降低等。结果可以被图形显示出来，并且可以进行复杂的优化。

在描述底层物理模型的页面上给出了更多细节。该软件可以在Microsoft Windows下的普通PC上运行。

应用

RP Resonator可用于各种用途：

•  分析现有的谐振腔设计，例如用于检查稳定区，对准灵敏度，分析色散效应等。

• 寻找优化的谐振腔设计，例如以便优化激光器的性能。

• 增强一个人对谐振腔的理解，例如可以通过进行数值实验的方式。

只有使用这种全面的物理模型，才有可能获得可靠的理解，从而以快速有效的方式达到具有最佳性能的设计。

请记住，激光器性能的许多方面，例如，功率效率，光束质量和对准灵敏度都受到谐振腔设计细节的强烈影响。因此，所有优良的激光器开发过程都必须包括对谐振腔设计的仔细研究。

目标群体

RP Resonator非常适合以下机构：

• 发展激光和参量振荡器或包含无源光学谐振腔设备的工业公司。

• 研究实验室，需要对这类激光器件的各个方面进行详细研究

• 教育机构，需要对对这些激光器有牢固的技术理解。

ABCDEF矩阵算法

RP Resonator中的计算基于扩展的ABCDEF矩阵算法。与通常使用的ABCD矩阵算法相比，其不仅能支持模式半径的计算，而且还能支持由反射镜的偏心导致的光束位置的变化

该软件还可以处理与波长相关的折射，例如在棱镜处。例如，发生在锁模激光器的谐振腔中的色散补偿是用棱镜对完成的（参见示例情况）。该软件可以计算波长相关的路径长度，和产生的色散。

可以将线性和环形谐振腔当成单通道传播，例如，来自激光谐振腔的输出光束。对于环形谐振腔，可以自动闭合光束路径，即，自动计算第一和最后一个反射镜的方向以及它们之间的路径长度。生成的设置可以以图形方式显示，以便立即识别输入中可能出现的错误。

完全参数化

与许多其他程序相比，RP Resonator能够允许您完全参数化所有谐振腔属性。这意味着您可以使用数学表达式，而不是使用简单的数字来表示臂长，镜像半径等。在生成的图形中，您可以沿水平轴或2D色差图改变任何谐振腔属性（或其组合）。此外，任何参数都可以参与数值优化。

此功能与强大的脚本语言一起为您提供了非凡的灵活性，而且您很难在其他任何软件产品中找到这种灵活性。

用户界面的基本概念

RP Resonator软件可以用简单的形式即脚本语言进行控制，只需输入几个输入参数，开始计算，并得到各种输出:

• 一些数值输出数据可以显示在表单字段和右侧的输出区域。

• 在表单中，甚至可以有图形显示，例如彩色条。

• 此外，可以有多个图形图来显示诸如反射光谱之类的东西。

看如下三个例子即线性或环形激光谐振腔，和聚焦激光束:

需要注意的是，表单和底层计算不是硬编码的。您可以获得脚本文件，即定义多层结构的文本文件、所有计算和生成的图形图，以及自定义表单(可选的)。该软件的用户界面提供了强大的编辑器和许多附加的有用功能，用于修改这些脚本或开发新脚本。

脚本为您提供了巨大的灵活性。这样，您就可以实现最复杂的模型;您甚至可以进行完整的编程。如果有与其竞争的程序，若不提供脚本，是无法与 RP Resonator在灵活性方面竞争的，如下：

• 谐振腔(或任何单通道光学配置)可以很容易地参数化，而不是使用各种特性的简单数值。这意味着它们的属性是根据一组给定参数计算出来的。这在实际工作中往往是非常方便的。例如，你可以指定谐振臂的总长度和激光晶体的总长度，这将被放置在臂的中间。晶体的左右空气通道的长度可以自动计算出来。

• 人们可以用一个循环来生产光学装置的部分，例如用可变的数字重复某些光学元件的序列。

• RP Resonator 允许您做优化与数字价值函数的任意数学形式。其他程序通常只允许输入一个预定的价值函数的参数。

• 您可以轻松地实现额外的计算—例如，在某些角度范围内的平均数量或检查超短脉冲的效果。

• 您可以创建用于分析结果的基本的任何类型的图形图——而不仅仅是从一组定义好的图中选择。

• 您可以在脚本内部和脚本之间**和粘贴，这比遍历许多表单和再次输入要简单得多。

脚本语言

RP Resonator支持非常强大的脚本语言。每个输入脚本包含从谐振腔的定义到要做的计算和结果图形的所有内容。(当然，您可以将经常使用的脚本部分存储在外部文件中，并在主脚本中轻松调用它们。)

自V3版本以来，人们甚至可以在脚本中定义自定义表单(见下文)。这个特性将脚本语言的巨大灵活性与数据输入和输出表单的良好处理结合起来。

如下一些代码片段向您展示了脚本语言很容易使用。第一个例子展示了简单谐振腔的定义:

F_cr := 0.3  { diopters of the laser crystal }
 
resonator: standing-wave
* mirror (M1): R = 500 mm
* air: d = 100 mm
* lens (Crystal): f = if F_cr <> 0 then 1 / F_cr
* air: d = 200 mm
* mirror (M2): R = 0 { no curvature }
resonator end

在这里，臂长简单地用数值定义，但激光晶体的屈光功率是一个参数，可以改变，例如，在图形中改变。

第二个例子展示了如何显示计算模式半径，3个有效的数字和单位为米的格式化:

show "w at M1:       ", w(zm[M1], lambda_ref):d3:"m"
show "w at Crystal:  ", w(zm[Crystal], lambda_ref):d3:"m"
show "w at M2:       ", w(zm[M2], lambda_ref):d3:"m"

最后，我们定义图形输出，显示光束半径与位置:

diagram 1:
 
"Beam Radius vs. Position"
 
x: 0, L_res / cm
"z position (cm)", @x
y: 0, 800
frame
hx
hy
 
f: w(x * cm, lambda_ref) / um,
   "w(z) (µm)",
   color = blue, width = 3

相信您已经体会到了脚本方法的诸多优点，如下:

• 您可以简单地**和粘贴提供的演示文件的部分，或您早期的脚本文件，以重用代码。

• 让所需脚本的主要部分基于表单输入生成(见下文)。

• 若情况复杂的情况下，可以联系我们可以提供一些代码。

• 脚本方法非常灵活，允许您系统地改变某些参数，导入和导出不同格式的数据，建立新的图表类型，或数学处理数据。

• 脚本文件完美地记录了您的工作。当您以后再读的时候，您就很容易明白您做了什么。你不需要记住，例如，您在一些互动窗口做了什么设置。
  

脚本编辑器

对于编辑脚本代码，该软件提供了强大的编辑器和相关工具。屏幕截图显示一个编辑器:

编辑器的一些强大的功能:

• 多级撤销/重做功能。

• 语法高亮显示:可识别的命令或函数名、关键字、注释等以不同的颜色显示。这使得它的结构更容易理解。

• 参数提示:如果您键入一个函数名后跟一个括号，编辑器将显示必需的参数列表上的信息。这样，利用数百个受支持的函数就会变得简单得多。

• 语法检查:您可以在不执行脚本的情况下快速检查脚本的语法。

• 代码片段库:您可以轻松地将某些经常使用的代码部分插入到脚本中。(见下面的屏幕截图)用户可以创建自己的代码片段作为该库的扩展。
  

为了插入谐振器定义，还可以使用输入向导表单。只需在表单字段中输入数字甚至数学表达式，就会立即看到生成的相应脚本代码:

图形输出

您的脚本可以定义一种或多种不同类型的图，以可视化计算结果。页面上显示了各种示例案例的示例。每个图都显示在单独的窗口中。下面你可以看到这样一个图形窗口的例子，显示了光束半径与谐振腔内的位置。

这些图形窗口提供了很多方便:

• 使用一个或两个游标测量位置和距离。

• 将图形保存为GIF或PNG格式。

• 输出数字数据。

• 将图形**到Windows剪贴板。

• 回想一下上次计算运行时的图形，这样您就可以清楚地看到任何差异。

• 浏览图表的多个版本(最多1000个)-例如，不同热透镜值的谐振腔模式。

全面的文档

RP Resonator有非常好的编制的文档，它可以让您有一个快速开始，有效地工作，甚至当做复杂的建模:

• 有一个PDF格式的手册，详细解释了物理模型的原理(大约40页)，用户界面，脚本语言，等等。

• 与上下文相关的在线帮助功能更加全面。请看下面的屏幕截图，以得到一个印象。
  

用RP谐振器制作的模型演示

不同的案例说明您可以用RP Resonator做什么，如下：

• 环形谐振器:演示如何定义谐振器并生成一些图形

• 钛蓝宝石激光器:一个更复杂的例子

• 具有自动优化的谐振腔：演示如何优化谐振腔

• 多通道放大器：具有自动几何计算的多通道放大器设置。

人造金刚石解决方案是高功率CO2激光器、碟片激光器和固态激光器的核心组成部分，可以确保持久稳定地发出高光学质量的激光束。其广泛应用于激光光学元件，如CO2激光器、光束传输系统（像分束器和布鲁斯特窗）、VCSEL（垂直腔面发射激光器）和拉曼激光器的输出耦合器和出射窗。

激光光学元件综合运用人造金刚石的光学、热学和力学性能，使CO2激光器实现最高功率，且不会因热透镜效应损失光束质量。由于人造金刚石极其坚硬，因此比较薄的窗口也可以抵抗一个大气压的压力差，同时还能保持最低的吸收水平。得益于人造金刚石的综合极端特性，新型激光器以及光学应用的数量正呈现不断增长之势，其耐用性保证了其光学性质在极端条件下也能够保持很长时间。

激光光学元件

金刚石单晶在强激光作用下仍为高度线性激光晶体

拉曼激光器

拉曼位移最大：1332cm-1

拉曼增益系数：25cm/GW

案例：

5*5*1.47mm作为激光晶体，未镀膜

置于由输入耦合镜和端镜组成的谐振腔内

可以提供7*2*2, 6*2*2, 5*2*2等各种尺寸拉曼激光器用金刚石晶体。

光学级单晶CVD金刚石，低双折射。

光通过人造金刚石时会发生双折射，从而改变光的偏振。低双折射光学CVD金刚石应用于一系列现有和新型激光技术，如半导体和掺杂介电圆盘激光器。低双折射散热片可用于激光腔而不会产生退偏损耗。相比传统的背面散热，在腔内使用人造金刚石能提供更有效的激光介质热管理，并可显著提升功率范围。该材料能稳定保持和再现低双折射、优异热导率、低吸收、低散射、较宽的透光范围、高激光损伤阈值、高化学和同位素纯度、低热膨胀系数、高机械稳定性和化学惰性等特性。

光学级单晶CVD金刚石，低双折射，极低吸收。

金刚石用于最苛刻光学领域（如拉曼激光）的特殊光学级单晶CVD金刚石材料。这种材料无可比拟地将低双折射率（10-5）和长光程（高达15毫米）低光学吸收率结合在一起，使其成为某些低损耗激光腔应用的首选材料。再加上其优良的导热性和较低的热膨胀系数，使其比更常用的拉曼增益介质能够达到更高的激光功率。人造金刚石具有最大的拉曼位移（1332cm-1）和拉曼增益系数（25cm/GW），人造金刚石拉曼激光器为现有激光源无法满足要求的光谱区域获取高激光输出功率开辟了新的可能性。人造金刚石也被用于拉曼激光器，其极端特性可令激光功率提高两个数量级以上。