国产自主Holaser激光与光学设计软件的研制现状

1、激光谐振腔设计功能模块研制现状

设计的系统：稳定激光驻波谐振腔、非稳定激光驻波谐振腔、稳定激光行波谐振腔和非稳定激光行波谐振腔4种。

设计的元件：初始激光、单向使用控制符、折叠使用控制符、正继承控制符、逆继承控制符、正胶合控制符、逆胶合控制符、平行平板、自由空间、均匀介质、理想薄透镜、厚透镜、透镜介质、平面反射镜、球面反射镜、平面折射率突变面、球面折射率突变面、高斯光阑、高斯反射镜、第四类往返镜、第一类相位共轭镜和猫眼（或锥形）反射镜22种。

设计的结果：谐振腔元件参数、光路总长、元件摆放位置、腔稳定性大小、远场发散角、束腰位置、束腰半径、光束半径、共焦参量和非稳腔光束半径往返放大率等。

具备的特色：鼠标点击式的系统光路搭建、设计计算的动态遍历、鼠标点击式的单参数更新、鼠标点击式的单参数自动优化、鼠标点击式的多参数级联自动优化和鼠标点击式的各类设计结果访问等。

典型的应用：任意激光谐振腔设计、任意谐振腔参数的扫描变化曲线获取、谐振腔热透镜影响分析和谐振腔设计过程可视的演示教学等。

图1 Holaser的激光谐振腔设计功能模块界面

2、成像光学设计功能模块研制现状

设计的系统：显微镜光路、望远镜光路、照相机光路、投影仪光路、激光放大光路、鬼像产生光路、杂散光产生光路、高斯光束传播光路、、准直光路组合透镜光路和消像差光路等。

设计的元件：初始激光、单向使用控制符、折叠使用控制符、正继承控制符、逆继承控制符、正胶合控制符、逆胶合控制符、波长转换、平行平板、自由空间、均匀介质、理想薄透镜、球面厚透镜、平面反射镜、球面反射镜、平面折射率突变面、球面折射率突变面、非球面反射镜、非球面厚透镜、非球面折射率突变面、柱理想薄透镜、柱非球面反射镜、柱非球面厚透镜和柱非球面折射率突变面等24种。

设计的结果：成像光路元件参数、光路总长、系统像面、成像倍率、元件摆放位置、焦面点列图、近场点列图、像面点列图、轴向球差、垂轴球差、轴向色差、像面弯曲的矢高、像面的相对畸变、焦面光程差、近场光程差、像面光程差、脉冲传播时间延迟、焦面统计光强分布权重图、近场统计光强分布权重图、像面统计光强分布权重图、光束半径、高斯光束远场发散角、高斯光束束腰位置和共焦参量等。

具备的特色：鼠标点击式的系统光路搭建、设计计算的动态遍历、鼠标点击式的单参数更新、鼠标点击式的单参数自动优化、鼠标点击式的多参数级联自动优化和鼠标点击式的各类设计结果访问等。

典型的应用：任意成像光学系统设计、任意成像光学元件参数的扫描变化曲线获取、像差特性影响分析、高斯光束传播特性分析和成像光学系统设计过程可视的演示性教学等。

图2 Holaser的成像光学设计功能模块界面

3、激光脉冲放大设计功能模块研制现状

设计的系统：单程、多程、单程级联多程、多程级联多程、多程嵌套多程、多程嵌套单程和单程级联多程嵌套多程再级联倍频等所有可能想到的任意激光放大光路类型。

设计的元件：初始激光、智能放大控制符、元件临时删除控制符、放大器不充电控制符、部分发射的终点控制符、发射平衡调整参考点控制符、初始激光光阑、反射镜、采样镜、分光镜、衰减器、透镜、窗口、平行平板、均匀介质、空间滤波器、光谱滤波器、用户光谱滤波器、时域滤波器、用户时域滤波器、棒状放大器、单片放大器、多片放大器、多片放大器（带窗口）、参量放大器、谐波混频器、增益介质、光阑、隔离器、旋光器、偏振片、脉冲展宽器和脉冲压缩器33种。

设计的结果：激光放大光路配置元件参数、激光脉冲波形、激光脉冲频率、激光脉冲光谱、激光脉冲能量、激光脉冲能流、B积分、静态透过率、放大提取效率、剩余小信号增益、谐波转换效率、激光近场分布、光束整形透过率、脉冲整形传递函数、光谱整形传递函数、脉宽微调压缩器的失配调整长度和脉宽微调压缩器的调整脉冲宽度等。

考虑的因素：增益饱和、增益变窄、自相位调制、CPA、OPCPA、谐波转换、同步、离轴、脉冲展宽、脉冲压缩、材料色散、光谱预整形、反转粒子数速率方程、二三四能级速率方程、二三四能级速率方程+能级弛豫、实测光谱透过率、实测激光发射谱和实测空间增益分布等。

具备的特色：鼠标点击式的系统光路搭建、设计计算的动态遍历、对任意激光放大光路的计算方向都有正向、逆向、正向按输出能量和逆向按输入能量4种，计算维度都有一维t、二维(x,t)、二维(y,t)和三维(x,y,t) 4种，计算方式有全发射和部分发射2种。

配套子程序：调用用户数据管理子程序、被发射配置校准子程序和发射平衡校准子程序调用。

典型的应用：高能PW激光系统设计、高功率激光驱动器设计、再生放大器设计、超短超强激光系统设计、激光脉冲预整形设计、激光光谱预整形设计、激光空间增益预补偿设计、激光二三四五倍频设计和演示教学等。

图3 Holaser的激光脉冲放大设计功能模块界面

4、光束衍射传播设计功能模块研制现状

设计的系统：任意光束传播光路、激光谐振腔光路、光束整形光路、光纤耦合光路、光束准直光路、相位板设计光路和光束聚焦光路等。

设计的元件：初始激光、依次执行控制符、元件临时删除控制符、暂停执行控制符、采样窗口加倍控制符、采样窗口减半控制符、采样点数加倍控制符、采样点数减半控制符、初始激光光阑、自由空间、强度重新分布控制、能量守恒控制、透过率控制、光束旋转控制、光束转向控制、光束对中控制、光束波前滤波、光束波前匀滑、光束波前带通滤波、光束细节增强、光束波前细节重建、光束波前误差重建、光束波前重建、颗粒状扰动、随机相位板、自相位调制器、谐波混频器、波长转换器、光束切趾器、光束切趾器光阑、象限光束切趾器、高斯光阑、高斯反射镜、硬边光阑、硬边刀口、圆锯齿光阑、用户调制器、用户调制器光阑、用户数据滤波器、用户数据带通滤波器、用户光束、用户光束光阑、均匀介质、平行平板、透镜介质、透镜介质光阑、增益/非均匀介质、用户增益/非均匀介质、棒状放大器、片状放大器、参量放大器、理想薄透镜、非球面发射镜、非球面折射率突变面、非球面厚透镜、理想薄透镜光阑、非球面反射镜光阑、非球面折射率突变光阑、傅里叶透镜、傅里叶滤波器、柱理想薄透镜、柱非球面发射镜、柱非球面折射率突变面、柱非球面厚透镜、柱理想薄透镜光阑、柱非球面反射镜光阑、柱非球面折射率突变光阑、牛顿环、迈克尔逊干涉仪、横向剪切干涉仪、径向剪切干涉仪、法布里-珀罗干标准局、光栅设计者、光栅设计者光阑、周期性调制、周期性调制光阑、理想光栅、理想光栅光阑、阶跃光纤、用户阶跃光纤、渐变光纤、用户渐变光纤、棒状光子晶体光纤和经典光子晶体光纤84种。

设计的结果：光束衍射传播光路配置元件参数、激光光束近场分布、激光光束波前分布、激光光束Z向传播的强度变化采样分布、场图填充因子、场图调制度、场图RMS对比度、场图GRMS对比度、场图Michelson对比度、场图峰值通量、场图峰值强度、场图能量集中度曲线、场图远场的能量集中度曲线、光束远场的能量集中度曲线、场图的方位平均曲线、场图功率谱密度函数的方位平均曲线、光束功率谱密度函数的方位平均曲线、场图的FOPAI曲线、场图的自动提取、场图的远场变换、光束的远场变换、场图的X方向失配、场图的Y方向失配、场图的姿态旋转、场图的圆角添加、场图的截止频率滤波、场图的截止衍射极限倍数滤波、场图的高斯核匀滑滤波、场图的均值核匀滑滤波、光束斯特列尔比、场图姿态的失调角度、场图宽度和场图质心等。

考虑的因素：空间衍射、空间滤波，像差、色差、自相位调制、实测元件波前、实测放大器的增益分布、光栅的角色散、光栅的拼接、光束聚焦和由光栅设计子程序所生成的所有周期性光场调制图案等。

具备的特色：鼠标点击式的系统光路搭建、设计计算的动态遍历、并行计算和针对任意的光束衍射传播光路，计算维度都有二维(x,y)和三维(x,y,t) 2种。

配套子程序：调用用户数据管理子程序和光栅设计子程序、被光纤设计子程序、光束传播计算环子程序和连续相位板设计子程序调用。

典型的应用：光束传播光路设计、激光谐振腔光路设计、光束整形光路设计、光纤耦合光路设计、光束准直光路设计、相位板设计光路设计、光束聚焦设计和演示教学等。

图4 Holaser的光束衍射传播设计功能模块界面

5、发射配置校准子程序研制现状

典型的应用：用激光装置的实验测量数据来校准Holaser的激光脉冲放大设计模块的配置参数，以达到相关理论计算结果和实验测量结果相吻合的目的。

具备的特色：并行计算、基于AI技术的激光放大光路配置参数自动校准和对激光脉冲放大设计模块的反调用。

图5 Holaser的发射配置校准子程序界面

6、发射平衡调整子程序研制现状

典型的应用：用标准实验波形来校准Holaser的激光脉冲放大设计模块的配置参数，以达到相关理论计算结果和实验测量结果相吻合的目的。

具备的特色：并行计算、基于AI技术的激光放大光路配置参数自动校准和对激光脉冲放大设计模块的反调用。

图6 Holaser的发射平衡调整子程序界面

7、光束传播计算环子程序研制现状

典型的应用：考虑衍射的行波和驻波激光谐振腔设计、光束整形相位板设计和再生放大器内的光传输设计等。

具备的特色：并行计算和对光束衍射传播设计模块的反调用。

图7 Holaser的光束传播计算环子程序界面

8、连续相位板设计子程序研制现状

典型的应用：用于光束整形的连续相位板设计等。

具备的特色：并行计算和对光束衍射传播设计模块的反调用。

图8 Holaser的连续相位板设计子程序界面

9、光纤设计子程序研制现状

典型的应用：阶跃光纤、用户阶跃光纤、渐变光纤、用户渐变光纤、棒状光子晶体光纤和经典光子晶体光纤设计6种。

设计的结果：光纤结构分布参数、光纤标量模分布参数、光纤矢量模分布参数、光纤色散曲线参数、光纤耦合效率参数、光纤内的光传输参数、光纤的带隙分布参数等。

具备的特色：并行计算和对光束衍射传播设计模块的反调用。

图9 Holaser的光纤设计子程序界面

10、光栅设计子程序研制现状

典型的应用：光学薄膜设计、一维光栅结构设计、两维光栅结构设计和其它周期性微结构设计等。

光栅的种类：无、正弦、矩形、高斯、球面、三角形、多台阶、四边形、光子晶体、渐变折射率、体/光纤布拉格、体全息、补丁、自定义I、自定义II和自定义III等16种。

设计的结果：有光栅结构分布、光栅衍射级次、光栅衍射效率、光栅内部场、光栅反射场、光栅透射场和光栅结构参数扫描曲线等。

具备的特色：并行计算和被光束衍射传播设计模块的调用。

图10 Holaser的光栅设计子程序界面

11、像传递设计子程序研制现状

典型的应用：共焦双透镜成像光路设计和非共焦双透镜成像光路设计。

具备的特色：有16种共焦像传递系统设计模式和9种非共焦像传递设计模式等。

设计的结果：焦距、像距、物距、光路实际总长、光路光程总长和光路填充介质的补偿距离影响等。

图11 Holaser的像传递设计子程序界面

12、单透镜设计程序研制现状

典型的应用：球面厚透镜设计和非球面厚透镜厚透镜。

具备的特色：有9种单透镜设计模式、对透镜实际加工样板数据的录入和查询等。

设计的结果：球面镜参数、非球面镜参数、真空焦距、空气焦距、色差、球差和鬼像等。

图12 Holaser的单透镜设计子程序界面

13、双透镜设计子程序研制现状

典型的应用：焦点位置始终固定的双透镜变焦系统设计。

设计的结果：正透镜焦距、负透镜焦距、正负透镜间距的凸轮变化轨迹和正负透镜组合的焦距和后截距等。

图13 Holaser的双透镜设计子程序界面

14、晶格能带设计子程序研制现状

典型的应用：一维晶格阵列设计、两维晶格阵列设计和三维晶格阵列设计。

晶格的种类：平行平板、三角、正方、蜂巢、笼目、金刚石和面心立方7种。

设计的结果：晶格阵列的结构参数、晶格的能带分布结构和晶格的带隙统计结果等。

图14 Holaser的晶格能带设计子程序界面

15、晶体匹配设计子程序研制现状

典型的应用：单轴和双轴光学非线性晶体的谐波转换匹配角度计算，服务Holaser的OPA、OPCPA和激光二三四五倍频设计功能。

设计的结果：晶体谐波转换匹配类型、匹配角度、非线性系数、走离角和接受角等。

图15 Holaser的晶体匹配设计子程序界面

16、折射率查询子程序研制现状

典型的应用：计算各类光学玻璃和镀膜材料的折射率大小和查询Holaser在计算中使用的光学材料代号。

设计的结果：光学材料的代号、在真空和空气内的折射率实部和虚部大小。

图16 Holaser的连续相位板设计子程序界面

17、线数据采集子程序研制现状

典型的应用：对各类实验测量曲线数据文件进行读取、裁剪、除本底、归一、滤波、匀滑、运算、比较、对齐、分析和保存为lux格式给Holaser调用等。

设计的结果：曲线宽度、顶部波动、质心、PV值、RMS值、分散度、飘移、最大值、最小值、平均值、积分值、曲线瞬时偏差的RMS值、曲线瞬时偏差的平均S值、曲线瞬时偏差的最大值和光谱曲线的转换极限脉冲等。

图17 Holaser的线数据采集子程序界面

18、场数据采集子程序研制现状

典型的应用：对各类实验测量两维数据文件进行读取、裁剪、旋转、除本底、归一、滤波、匀滑、加减乘除运算、比较、匹配、分析和保存为lux格式给Holaser调用等。

设计的结果：能量集中度、填充因子、强度条制度、通量分布曲线、FOPAI曲线、PV值、最大值、最小值、平均值、对比度、数据畸变RMS值、数据RMS值和数据GRMS值等。

图18 Holaser的场数据采集子程序界面

19、图片转换子程序研制现状

典型的应用：把文献中的伪彩色两维分布图转化为线性灰度图，供Holaser的场数据采集子程序调用等。

设计的结果：填充因子、最大值、最小值、平均值等。

图19 Holaser的图片转换子程序界面

20、用户数据管理子程序研制现状

典型的应用：对由Holaser调用的lux格式数据文件进行编号和管理。

设计的结果：数据文件的代号、是否拟合、是否放大、是否高低通滤波、是否高低通匀滑、是否改变数值覆盖范围和是否改变边缘填充值等。

图20 Holaser的用户数据管理子程序界面

21、数据文件分析子程序研制现状

典型的应用：对保存在硬盘上的数据文件进行查看、管理、添加文件记录、删除文件记录、按名称筛选文件、按目录筛选文件、批量分析激光近远场分布数据文件、批量分析光学波前分布数据文件、批量分析激光脉冲波形分布数据文件和批量分析光谱形状分布数据文件等。

设计的结果：原始数据文件查看、2D数据文件的傅里叶变换、远场能量集中度曲线、场执行坐标、场强度最大值坐标、场匀滑强度最大值坐标、波前光束的远场能量集中度曲线、波前数据的远场强度方位平均曲线、波前数据的PV、RMS、GRMS和光束质量退化值、脉冲形状分析、脉冲平衡分析、光谱形状分析和光谱平衡分析等。

图21 Holaser的数据文件分析子程序界面