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，有必要對這種效應(yīng)進(jìn)行建模。
在本系列的 5 篇文章中，我們將對激光加熱效應(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)準(zhǔn)備
光學(xué)設(shè)計(jì)完成后，下一階段就是為光學(xué)元件創(chuàng)建機(jī)械封裝。除了提供光學(xué)系統(tǒng)的保護(hù)和布局安裝外，透鏡和反射面的安裝設(shè)計(jì)還將引入機(jī)械導(dǎo)入光源。此外，這些機(jī)械元件還可以作為散熱器，為光學(xué)元件散熱。我們將在稍后的過程中探討這兩個問題，但現(xiàn)在我們將專注于光機(jī)械設(shè)計(jì)。OpticStudio 和 OpticsBuilder 之間的交互可大幅簡化這一過程。Prepare for OpticsBuilder 工具能導(dǎo)出光學(xué)系統(tǒng)，且導(dǎo)出格式方便光機(jī)工程師直接在他們的 CAD 工具中打開系統(tǒng)，其中包含創(chuàng)建光機(jī)系統(tǒng)所需的所有信息。
光機(jī)械系統(tǒng)整體創(chuàng)建完成后，整個設(shè)計(jì)便可以輕松導(dǎo)出到 OpticStudio 非序列模式。OpticStudio 非序列模式能夠?qū)⒚總€物體視為探測器，以計(jì)算系統(tǒng)中每個光學(xué)器件和機(jī)械表面上的吸收通量。額外的探測器可以記錄鏡頭體內(nèi)的吸收通量。當(dāng)激光以光束的形式在系統(tǒng)中傳播，我們可以記錄它們與元件的每一次相互作用。
通過利用 ZOS-API 的強(qiáng)大功能，此階段可以使用腳本自動檢索存儲在探測器上的通量數(shù)據(jù)，并為滿足FEA軟件包的輸入要求而配置輸出。此外，系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)也將作為 CAD 元件導(dǎo)出到 FEA 工具中。
這個過程包括 4 個階段：
將序列模式系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為非序列模式，同時為光機(jī)設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。
將非序列模式系統(tǒng)導(dǎo)出到 OpticsBuilder for Creo 或其他 CAD 平臺，以添加鏡頭底座、外殼和其他機(jī)械組件。
將整個系統(tǒng)導(dǎo)出到 OpticStudio 非序列模式。添加體探測器物體以記錄系統(tǒng)中吸收的通量。執(zhí)行光線追跡并報(bào)告每個元件中的吸收通量。
為 FEA 分析做準(zhǔn)備并導(dǎo)出數(shù)據(jù)。
打開附件中的 ‘Lens-3P_D25.4_2022.zar’?文件。我們希望從系統(tǒng)中獲取有關(guān)吸收通量的信息，并將這些數(shù)據(jù)用于 FEA 分析。要繼續(xù)下一步，我們首先使用文件……轉(zhuǎn)換……轉(zhuǎn)換為NSC組（the File…Convert…Convert to NSC Group）工具將我們之前優(yōu)化的序列模式系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為非序列模式。
在轉(zhuǎn)換過程中，該工具將自動添加光源和探測器。反射面將自動轉(zhuǎn)換為離軸反射鏡物體（物體 4）。
自動生成的非序列模式文件中，物體將根據(jù)相對位置情況進(jìn)行定位放置（如在序列模式系統(tǒng)中），而不是直接在全局坐標(biāo)中定義它們的位置。這可以從非序列元件編輯器（NSCE）中的參考物體數(shù)據(jù)欄中看到。在我們添加體探測器物體之前，可以方便地將所有元件的參考物體修改為參考全局坐標(biāo)。
以前用作坐標(biāo)參考的空物體不再需要，并且可以在修改參考坐標(biāo)后安全刪除。
在本例中，我們使用能更好地代表我們的激光光束波形的高斯光源來替換自動生成的橢圓光源物體。光束尺寸和位置是兩個與高斯光源物體相關(guān)的特定參數(shù)。要生成準(zhǔn)直光束，請將位置參數(shù)保留為零。光束尺寸參數(shù)定義了照度中 1/e^2 點(diǎn)處的光束半徑。在本例中，我們將功率（瓦特）設(shè)置為800W，光束尺寸為 5mm，并為高斯光源指定 20 條布局光線和 1e6 條分析光線。
二、轉(zhuǎn)換至非序列模式組
除了添加體探測器物體，我們還將打開所有光學(xué)和光機(jī)元件的?物體作為探測器（Object is A Detector）?選項(xiàng)。這將幫助我們記錄這些物體表面吸收的照度。可以將任意形狀的大多數(shù)物體用作探測器來記錄非相干照度數(shù)據(jù)。這包括具有平面的物體，例如多邊形、STL 和矩形體物體。該選項(xiàng)可以在物體屬性……類型……探測器部分下啟用。選中該選項(xiàng)后，用于繪制物體的每個單獨(dú)的三角面可以變成單個像素，像素的數(shù)量與該物體的繪圖分辨率相關(guān)。探測到的輻照度既可以在實(shí)體模型中直觀地顯示，也可以在探測器查看器的文本選項(xiàng)卡中顯示為文本列表。
我們在NSCE中突出顯示第 2-6 行，打開物體屬性……類型（Object Properties…Type）并勾選物體作為探測器（ 'Object Is A Detector'）選項(xiàng)。在繪圖（Draw）選項(xiàng)卡下，將繪制分辨率調(diào)整為高，這將增加用于渲染該物體的像素?cái)?shù)/網(wǎng)格密度。
在非序列模式下測量的吸收通量同時考慮了由膜層引起的表面吸收和鏡頭材料的體吸收。透射元件具有抗反射膜層，反射鏡具有高反射膜層。我們在本例中使用了簡單的 IDEAL 膜層，格式為 IDEALT R TIR。語法中的三個強(qiáng)度系數(shù)分別表示透射 T、反射 R和全內(nèi)反射 TIR。吸收系數(shù)通過 A = 1.0 - R - T 自動計(jì)算，以表示能量吸收效率。如果省略了 TIR 值，則假定其值為 1.0。我們在膜層文件中添加了以下兩種 IDEAL 膜層，以備后續(xù)使用?？梢酝ㄟ^點(diǎn)擊庫……膜層工具……編輯膜層文件（Libraries…Coating Tools…Edit Coating File）來完成編輯。我們將編輯好的膜層文件保存為“COATING_LASER.DAT”。
如需應(yīng)用膜層，請選擇物體屬性下的膜層/散射（Coat/Scatter）選項(xiàng)卡。膜層將應(yīng)用于物體的各個表面上。反射鏡的前面和側(cè)面采用 HR_LASER 膜層，透射元件（鏡頭和保護(hù)窗）的前面和背面采用 AR_LASER 膜層。隨后，當(dāng)添加了陽極氧化鋁機(jī)械部件后，列出的 AL_LASER 膜層將應(yīng)用于機(jī)械封裝元件表面。
▋?四、定義光學(xué)表面的膜層
在本例中，我們使用熔融石英作為鏡頭材料。它的吸收率低，熱穩(wěn)定性高。OpticStudio 使用比爾定律，根據(jù)材料庫中該材料可用的內(nèi)部透射數(shù)據(jù)計(jì)算吸收。默認(rèn)紅外材料庫中的 F_SILICA 材料在 0.3-2.3um 的波長范圍內(nèi)具有理想的透射值 1。為了準(zhǔn)確模擬 F_SILICA 的體吸收，我們需要輸入真實(shí)的透射數(shù)據(jù)。然而，我們無法修改 OpticStudio 提供的默認(rèn)材料庫中的數(shù)據(jù)。保存（SAVE）按鈕變?yōu)榛疑?/p>
要使用 F_SILICA 的真實(shí)體吸收數(shù)據(jù)，請參考 OHARA網(wǎng)站，我們應(yīng)先將上述材料庫保存為新的自定義材料庫，例如 MYCATALOGAGF。然后，我們可以在這個自定義玻璃庫中編輯 F_SILICA 的透射數(shù)據(jù)，如下圖所示。
http://www.oharacorp.com/fused-silica-quartz.html
接下來，我們需要在系統(tǒng)選項(xiàng)……材料庫部分加載這個新的自定義玻璃庫 MYCATALOGAGF。
經(jīng)過這些修改，我們的系統(tǒng)現(xiàn)在可以導(dǎo)出到 OpticsBuilder，我們將在下一篇文章中完成這一操作。