GLAD—激光系统和物理光学仿真App

lanseyouyu1976

App概况

GLAD是由美国Applied Optics Research企业开发的一款专业的物理光学App，特别适用于激光领域各种光学现象的仿真和评估！App的开发者George Lawrence教授长期在光学领域排名NO.1的美国亚利桑那大学任教，在物理光学特别是激光领域拥有三十多年的研究经验。
GLAD使用复振幅来描述光束，采用快速傅里叶变换结合分步傅里叶算法进行传输分析，几乎能对所有类型的激光系统进行分析，或对物理光学系统做完整的端-对-端的分析处理，还囊括各种激光增益模型、数种非线性过程和许多其它的激光及物理光学效应。
GLAD的使用方法为调用内部各类“积木”进行建模、传输和分析。积木的类型包括：用于进行系统和光束初始化的命令；用于表征各类像差和相位屏的命令；用于表征各类传统光学元件的命令；用于表征各类非线性过程的命令；用于表征激光增益介质的命令；用于光束参数诊断的命令；用于计算结果输入、输出的命令等。只要将不同类型的积木有机“组装”起来就可以轻松实现任意光学系统的模拟。

GLAD允许用户自定义变量、子程序、循环、方程式、以及其它高级语言结构。
GLAD的应用领域包括：（1）包含传统光学元件，如各种透镜、反射镜、棱镜的光学系统的衍射传输分析；（2）光束质量的分析和评价；（3）二元衍射光学元件的分析；（4）各种波导的分析；（5）激光系统的分析：无源腔性能分析，含各类增益介质的有源腔分析；（6）多种非线性过程的模拟；（7）偏振效应分析。

功能特性
GLAD在激光器模拟方面有着无与伦比的优势：
1.理论基础是衍射光学，通过分步傅立叶方法实现衍射传输和非线性现象（含增益）的模拟。并将物理光学和几何光学有机结合起来，实现对复杂系统的快速模拟。
2.提供多种激光器组件命令，如透镜（理想的和实际的），透镜阵列，反射镜，棱镜，自适应反射镜，双折射晶体，光栅，谱色散平滑元件，任意形状的光阑，光纤以及各种结构的波导等，可以快速建立激光器模型。
3.准确模拟激光器谐振腔的特性，如输出的激光模式，输出功率与泵浦光之间的变化关系。通过改变谐振腔的参数（如腔镜的曲率半径、通过率、位置参数），可以观察这些因素对于输出模式、输出能量的影响。
4.提供多种诊断函数，通过调用这些函数可以计算任意光场的参数，如Strehl比，M2因子，光束的半高全宽，环围能量（可聚焦能力的一个重要的衡量参数），输出光束的像差特性（拟合出Zernike多项式的系数），波前的RMS值，光学传递函数（OTF），光学系统的Rayleigh范围以及位置等。
5.在非线性特性方面的模拟具有非常显著的优势，是目前唯一能够涵盖几乎所有非线性特性的物理光学模拟App。可以模拟的非线性过程包括：各种增益过程（包括CO2增益模型、BEER定律增益模型、半导体增益模型、三能级系统模型、速率方程模型），自聚焦过程，倍频过程，和频过程，四波混频过程，Raman放大过程，大气湍流引起的热晕过程。
6.采用有限差分方法模拟热透镜效应。
7.可以模拟偏振过程以及部分相干光现象。

GLAD基本版的功能：

□ 整合环境设计区(IDE)

□ 简单或复杂激光束追迹

□ 相干和非相干交互作用

□ 非线性激光增益模型

□ 透镜和反射镜：球面镜、柱面镜

□ 任意形状的光阑

□ 近场-和远场-衍射传输分析

□ 稳态和非稳态谐振腔模型

□ 为谐振腔设计提供的特殊功能

□ Seidel, Zernike, 和相位光栅像差分析

□ 平滑随机数波前像差(smoothed random wavefront aberrations)

□ 透镜和反射镜数组

□ 变量数组，可达1024x1024

□ 方形数组和可分离的衍射理论

□ 多重，独立的激光束追迹传输

□ 自动传输技术控制

□ 薄片增益模型

□ 全局坐标系统

□ 任意的反射镜位置及方位设置

□ 几何像差

□ 大Fresnel数系统模拟

□ Zonal自适应光学模型(Zonal adaptive optics model)

□ 相位共轭(phase conjugation)

□ 极化模型

□ 部分相干光模型

□ ABCD传输

□ 光纤光学和3-D波导

□ 二元光学(binary optics)和光栅

□ 矢量衍射方法对高数值孔径(NA)物镜进行分析

□ M-平方因子评价

□ 相位修正的优化

□ 模拟退火优化(simulated annealing optimization)

GLAD Pro增加的功能：

□ 非线性光学：
1.Raman放大，四波混频(Four-wave mixing)
2.倍频
3.自聚焦效应(self-focusing effects)

□ 激光过程：
1.速率方程增益模型(rate equation gain)
2.激光起振和Q-switching

□ 优化：
1.任意结构的最小二乘优化(least squares optimization)
2.使用者自定义评价函数(merit function)
3.任何的系统参数都能进行优化

□ 几何光学：
1.精密表面配合光线追迹
2.透镜组的定义和分析

□ 大气效应：
1.Kolmogorov扰动
2.热致离焦(thermal blooming)

典型案例图示

任意形状的光阑

S形光纤波导

空间光耦合进入光纤

二元光学元件

二元光学元件

剪切干涉仪

大气热晕

谐振腔分析

模式竞争

调Q激光器输出特性

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