大功率激光器廣泛用于各種領(lǐng)域當(dāng)中，例如激光切割、焊接、鉆孔等應(yīng)用中。由于鏡頭材料的體吸收或表面膜層帶來的吸收效應(yīng)，將導(dǎo)致在光學(xué)系統(tǒng)中由于激光能量吸收所產(chǎn)生的影響也顯而易見，大功率激光器系統(tǒng)帶來的激光能量加熱會(huì)降低此類光學(xué)系統(tǒng)的性能。為了確保焦距穩(wěn)定性和激光光束的尺寸和質(zhì)量，有必要對(duì)這種效應(yīng)進(jìn)行建模。在本系列的 5 篇文章中，我們將對(duì)激光加熱效應(yīng)進(jìn)行仿真，包括由于鏡頭材料溫度升高而引起的折射率變化，以及由機(jī)械應(yīng)力和熱彈性效應(yīng)造成的結(jié)構(gòu)變形。
一、光機(jī)械設(shè)計(jì)與分析
現(xiàn)在光學(xué)元件已經(jīng)設(shè)計(jì)完成，我們需要?jiǎng)?chuàng)建機(jī)械結(jié)構(gòu)，以安裝和放置光學(xué)組件。有多個(gè)選項(xiàng)可用于準(zhǔn)備機(jī)械元件并導(dǎo)回 OpticStudio 以開展進(jìn)一步分析。
準(zhǔn)備機(jī)械元件
使用 OpticsBuilder for Creo，用戶不僅能創(chuàng)建所需的機(jī)械元件，還能分析其對(duì)穿過系統(tǒng)的光線的影響。無需離開 CAD 環(huán)境，用戶即可查看特定的目標(biāo)光線路徑，添加光源和探測器。然后可以方便地把整個(gè)系統(tǒng)傳輸回 OpticStudio。
或者，用戶可將光學(xué)組件（例如STEP文件）導(dǎo)入到另一個(gè)CAD軟件包，設(shè)計(jì)光學(xué)組件周圍的機(jī)械組件，但這樣做無法獲得OpticsBuilder提供的簡單數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)計(jì)洞察。
導(dǎo)入至 OpticStudio
動(dòng)態(tài)CAD鏈接。使用 OpticStudio Premium 支持的任何 CAD 軟件包，用戶都可以把機(jī)械元件導(dǎo)入為具有可編輯底層草圖參數(shù)的原生 CAD 元件。
使用標(biāo)準(zhǔn) CAD 格式，如 STEP 或 IGES。如果 OpticStudio 不支持您的 CAD 平臺(tái)，那么 STEP 文件和 IGES 文件是良好的替代方案。大部分 CAD 平臺(tái)都能生成和導(dǎo)入這些文件。但這些文件不是參數(shù)化文件，而且底層草圖元素不可編輯。
目前為止，OpticsBuilder 與動(dòng)態(tài) CAD 鏈接的組合具有較理想的功能，也是我們在這里演示的選項(xiàng)。請(qǐng)注意，STOP 工作流程（參見本系列的其它文章）對(duì)上面介紹的任何一種其它選項(xiàng)都適用，只是速度和效率有所不同。
二、將系統(tǒng)裝換至 OpticsBuilder
在OpticStudio中打開 ‘Lens-3P_D25.4_NONSEQ.ZAR’ 文件并點(diǎn)擊文件……為OpticsBuilder做準(zhǔn)備（File…Prepare for OpticsBuilder）。
為了讓光學(xué)規(guī)格變得可編輯，我們不勾選 ‘只讀（Read only?）’ 選項(xiàng)。然后，我們?yōu)楣獍叱叽?、像面污染和光束遮擋等指?biāo)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)，并點(diǎn)擊?準(zhǔn)備（Prepare）。這將生成一個(gè) .ZBD 文件，可用作在 OpticStudio 和 OpticsBuilder 之間交換數(shù)據(jù)的工具。
接下來，打開已經(jīng)安裝了 OpticsBuilder 的 Creo。
從 OpticsBuilder 選項(xiàng)卡中，我們可以選擇?導(dǎo)入ZBD文件（Import ZBD file），選擇要導(dǎo)入的文件，然后生成參考幾何結(jié)構(gòu)。這樣 CAD 元件就能與光學(xué)組件匹配。
在裝配體窗口的 OpticsBuilder 表格里，右鍵點(diǎn)擊光學(xué)元件，以顯示每個(gè)元件的規(guī)格數(shù)據(jù)。機(jī)械工程師可以在這里查看每個(gè)光學(xué)元件的規(guī)格參數(shù)（曲率、半直徑等）。他們需要這些信息來構(gòu)建封裝系統(tǒng)的機(jī)械元件。注意：如果不使用 OpticsBuilder，這些信息需要以單獨(dú)的文件進(jìn)行共享，或者機(jī)械工程師需要從 STEP 文件中提取有限的可用信息。
三、創(chuàng)建鏡頭套筒
接下來，我們?yōu)?CAD 元件創(chuàng)建草圖，做法和任何其它項(xiàng)目一樣，在草圖里定義參數(shù)，以便在元件之間創(chuàng)建縮放的關(guān)系。
這些草圖可使用旋轉(zhuǎn)（revolve）、擠壓（extrude）等工具創(chuàng)建實(shí)體。下面的例子是圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)的一個(gè)草圖。
對(duì)每個(gè)元件重復(fù)開展這個(gè)流程。然后，我們可以重新打開從 ZBD 文件創(chuàng)建的裝配體文件，插入創(chuàng)建的元件，將它們與光學(xué)元件相互配置。
在 OpticsBuilder 示例文件夾中可以找到完成裝配體：
“\Documents\Zemax\Samples\OpticsBuilderCreo\Laser Induced Thermal Lensing Effect”。
四、OpticsBuilder 分析
使用 OpticsBuilder，機(jī)械工程師能夠在 CAD 環(huán)境中運(yùn)行光線追跡，其包含了光學(xué)元件與 CAD 元件之間的相互作用。此外，還可以根據(jù)顏色、根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)來過濾光線，以便發(fā)現(xiàn)問題。在下面的例子中，藍(lán)色光線穿過系統(tǒng)，而紅色光線正在被 CAD 元件或光學(xué)元件遮擋。
驗(yàn)證光機(jī)系統(tǒng)行為的另一重要步驟是使用關(guān)鍵光學(xué)指標(biāo)檢查性能。運(yùn)行仿真后，在顯示的簡潔結(jié)果面板上能夠查看這些指標(biāo)。根據(jù)滿足或違反 Prepare for OpticsBuilder 工具中設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，將顯示綠色對(duì)鉤標(biāo)記或紅色警告提示。這樣一來，如果系統(tǒng)存在任何重大問題，機(jī)械工程師就能迅速發(fā)現(xiàn)。OpticsBuilder 用戶還能獲得的其它好處，即無需返回 OpticStudio，就能夠在 CAD 系統(tǒng)中查看探測器并放置新的光源和探測器檢驗(yàn)系統(tǒng)。這些工具有助于機(jī)械工程師了解其機(jī)械設(shè)計(jì)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的影響。這樣可減少給光學(xué)工程師分享整體光機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的迭代次數(shù)。
在上圖中，從探測器查看器（The Detector Viewer）面板上可以清楚地看到，無論有（右圖）還是沒有（左圖）CAD 元件，光斑尺寸保持不變。報(bào)告的其它數(shù)據(jù)還包括 RMS 光斑尺寸、到達(dá)探測器的總光線數(shù)、探測器平面上的峰值輻照度和總功率。在這個(gè)例子中，我們發(fā)射了 10,000 條光線，但只有 9,998 條光線到達(dá)探測器平面。
在進(jìn)一步查看這些光線后，光線似乎在光學(xué)元件（而不是在CAD組件）邊緣被遮擋，如下圖所示。可以通過多種方法來解決這個(gè)問題。機(jī)械工程師可以移動(dòng)光學(xué)元件（如果在導(dǎo)出時(shí)關(guān)閉 “只讀（read only）”選項(xiàng)，元件可支持編輯功能）?；蛘咚麄兛梢园盐募l(fā)送給光學(xué)工程師，在 OpticStudio 中更詳細(xì)地查看這個(gè)問題。其中的一個(gè)選項(xiàng)是結(jié)合前兩種方法，機(jī)械工程師進(jìn)行修改并繼續(xù)設(shè)計(jì)，然后把文件發(fā)送給光學(xué)工程師查看。
在 OpticsBuilder 工具欄的設(shè)置（Settings）選項(xiàng)卡上增加被追跡的光線數(shù)量，以便更深入地了解這個(gè)系統(tǒng)。
將分析光線的數(shù)量增加到 1,000 萬條，并將顯示光線的數(shù)量調(diào)整到50條，可以發(fā)現(xiàn)鏡面的尺寸相對(duì)于輸入光束似乎有點(diǎn)偏小。隨后，光學(xué)工程師可以在 OpticStudio 中將其與文件進(jìn)行比較。
在序列模式下快速查看原始文件，可以發(fā)現(xiàn)某些光線錯(cuò)過了反射鏡表面。請(qǐng)注意：在序列模式下只追跡預(yù)期路徑。如果一條光線在預(yù)期路徑上失效，光線將被遮擋，不會(huì)繼續(xù)與系統(tǒng)中的其它元件交互，如下圖所示。在非序列模式下，光線將繼續(xù)延伸。這是因?yàn)?OpticsBuilder 使用非序列光線追跡引擎，所以在 OpticsBuilder 中，雖然該光線被反射鏡邊緣遮擋，但依然與機(jī)械元件交互。
這個(gè)問題在模型的后面的修訂版中得到了解決，光束和反射鏡可以更充分地匹配。這個(gè)例子說明了如何使用正確的工作流程來改進(jìn)設(shè)計(jì)并及時(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正潛在缺陷。值得注意的是，許多初始設(shè)計(jì)都是在序列模式下完成的，盡管序列模式是一種強(qiáng)大的設(shè)計(jì)與分析工具，但它只能對(duì)預(yù)期的光線路徑進(jìn)行建模。非序列模式可以對(duì)更全面的場景進(jìn)行建模，包括預(yù)期路徑和非預(yù)期路徑。由于 OpticsBuilder 文件經(jīng)過序列模式到非序列模式的轉(zhuǎn)換，然后在非序列模式下開展光線追跡，因此在流程的這個(gè)階段能夠發(fā)現(xiàn)可能被其它方式所忽視的問題。如果有必要開展更深入的分析，可以把文件發(fā)送回 OpticStudio 的非序列模式，以進(jìn)一步檢查雜散光、鬼像分析等。這可以通過 ZBD 文件格式來實(shí)現(xiàn)，它相當(dāng)于 OpticStudio 和 OpticsBuilder 之間的雙向通道。
五、訪問與修改光學(xué)屬性
除了光學(xué)元件幾何參數(shù)（曲率半徑、半直徑），材料和膜層等其它光學(xué)屬性也可以自動(dòng)地從 OpticStudio 傳輸?shù)?OpticsBuilder。此外，這些光學(xué)屬性也能應(yīng)用到 CAD 環(huán)境中新創(chuàng)建的機(jī)械元件。
如果要應(yīng)用新的表面屬性，我們首先從 OpticsBuilder 元件選項(xiàng)卡選擇 CAD 元件，然后點(diǎn)擊 OpticsBuilder 工具欄上的設(shè)置……應(yīng)用表面屬性（Setup…Apply Surface Properties）。
在元件摘要（Component Summary）中，有一系列下拉菜單，每個(gè)菜單與 CAD 元件的一個(gè)面相對(duì)應(yīng)。為每個(gè)面選擇所需的表面屬性。此外，如果要向這個(gè)列表添加表面屬性，可以從 OpticStudio 系統(tǒng)文件夾中復(fù)制貴公司的光學(xué)工程師使用的項(xiàng)目，或下載廠商專用的文件。
其它選項(xiàng)包括向光學(xué)元件添加膜層配置文件或散射配置文件。該操作可在 CAD 環(huán)境中的 OpticsBuilder 內(nèi)部方便地完成，也可發(fā)送給光學(xué)工程師，以便其在 OpticStudio 中執(zhí)行任務(wù)。
從 OpticsBuilder 導(dǎo)出有兩種選項(xiàng)。一種是保存為 STEP/IGES 文件，另一種是保存為原生 CAD 元件，在本例中是 Creo 元件。如果您使用的是 OpticStudio Premium，可以結(jié)合使用動(dòng)態(tài) CAD 鏈接與 OpticsBuilder。這樣光學(xué)工程師就能控制 OpticStudio 內(nèi)部 CAD 元件的底層草圖參數(shù)。另一種選項(xiàng)是使用 STEP/IGES 文件，它將以 STEP/IGES 元件形式導(dǎo)出所有機(jī)械元件，但其幾何結(jié)構(gòu)無法在 OpticStudio 中進(jìn)行編輯。值得注意的是，在兩種情況下，傳輸回的所有光學(xué)組件都是完全可編輯的原生 OpticStudio 部件，而且所有物體的膜層、材料和散射數(shù)據(jù)都將被保留。
此階段的示例文件可以在文章附件中找到：‘system_NSC_2022.zar’。
六、結(jié)論
完成光學(xué)系統(tǒng)和光機(jī)系統(tǒng)的初始設(shè)計(jì)后，我們可以進(jìn)入工作流程的下一階段。在下一篇文章中，我們將回到 OpticStudio，并介紹如何設(shè)置非序列系統(tǒng)，以記錄所有光學(xué)元件和機(jī)械元件的吸收激光功率。