Numerická simulace šíření laserového svazku tepelně zatíženým prostředím

Abstract

Tato práce se zabývá numerickými simulacemi šíření laserového svazku tepelně zatíženým 2D prostředím. Nejprve jsou stručně uvedeny základní principy laserové fyziky následovány zjednodušeným popisem tepelně-optických jevů spojené s provozem pevnolátkových laserových systémů. Metoda konečných prvků je prezentována jako praktický nátroj pro tepelně mechanickou analýzu optických prvků systému. Je vyvinut postup pro integraci výsledků analýzy a výpočetní sítě metody konečných prvků v numerickém algoritmu simulujícím šíření laserového svazku. Laserový svazek je v této práci aproximován skupinou paprsků. Funkčnost algoritmu je ověřena pro homogenní i gradientní prostředí metodou porovnání numerického a analytického řešení. Práce zahrnuje i příklad tepelně optické analýzy laserového zigzag zesilovače.

This work deals with numerical simulations of a laser beam propagation through a thermally loaded solid-state 2D medium. At first a brief introduction to basic principles of laser physics is given followed by a simplified description of thermo-optic effects associated with laser system operation. Finite element methodology is presented as a practical tool for thermo-mechanical analysis of two dimensional models of system optical elements. A procedure is developed to integrate the FEM analysis results and computational mesh in a numerical algorithm simulating the laser beam propagation. Laser beam is approximated as a set of rays within this work. The algorithm performance is validated for both homogeneous and graded-index media using comparison method of numerical and analytical solutions. An example of thermo-optical analysis of a zigzag laser amplifier is also included.