2022年10月25日

大功率激光系统的STOP分析 - 第五部分

Category: Product News

大功率激光器广泛用于各种领域当中,例如激光切割、焊接、钻孔等应用中。由于镜头材料的体吸收或表面膜层带来的吸收效应,将导致在光学系统中由于激光能量吸收所产生的影响也显而易见,大功率激光器系统带来的激光能量加热会降低此类光学系统的性能。为了确保焦距稳定性和激光光束的尺寸和质量,有必要对这种效应进行建模。在本系列的 5 篇文章中,我们将对激光加热效应进行仿真,包括由于镜头材料温度升高而引起的折射率变化,以及由机械应力和热弹性效应造成的结构形变。

使用STAR模块分析STOP效应

在您的FEA软件中完成结构与热分析后,可将数据导出为一系列简单的文本文件,以便利用STAR模块导入到OpticStudio中。在这篇文章中,我们将演示如何执行完整的OpticStudio分析,以帮助您量化和了解系统光学性能的影响。

在OpticStudio中加载和拟合FEA数据

注意:这些步骤需要您安装了STAR模块授权和OpticStudio。

  1. 首先,我们打开第一篇文章中介绍的原始序列模式光学系统。我们将在STAR模块上应用来自FEA工具的结构和热数据,并评估其对名义光学系统性能的相关影响。

  2. 如果要加载FEA数据,我们点击STARFEA数据…加载FEA数据(STARFEA DataLoad FEA Data),浏览到对应数据文件位置,选择全部相关文件,并点击 打开(Open。这里有多个文件夹,其中包含了来自分析流程中不同时间点的数据。首先,我们使用来

  3. 自“FEA_Data_800W_0010s”文件夹的数据。\下拉菜单可用于向正确的表面分配结构数据集和热数据集。右侧显示的布局图可帮助我们检查数据集是否良好匹配至系统元件表面,然后选择确定(OK),以拟合数据。

  1. 使用拟合评估(Fit Assessment)工具可以检查每个数据集的拟合误差。默认情况下,在拟合表面形变前会删除每个数据集内部的刚体运动(RBM)。这通常可以提高拟合准确度,但用户能够完全控制该设置。

  2. 在结构数据摘要与热数据摘要(Structural Data Summary and Thermal Data Summary)表格中,用户可以启用或禁用每个表面的FEA数据集。

  3. 当启用STAR数据后,我们可以检查分析窗口,以查看FEA数据对系统性能的影响,如波前图(Wavefront Map)、点列图(Spot Diagram)、矢高图(Sag Map)等分析。

通过ZOS-API将FEA数据导入到STAR,并开展光学性能分析

我们已经演示了如何方便地将FEA数据手动导入到STAR。另一种方法是使用STAR-API的功能实现这个流程的自动化。当需要分析多个FEA数据集时,这种做法特别有用。

在这个示例中,从FEA软件获取不同表面在不同时间下的温度和形变文件。本例中的时间分布包括10秒、60秒、600秒、1800秒、3600秒。

在这个部分,我们将演示如何加载多个时段的FEA数据,以便开展光学性能的瞬态分析。我们创建了一个ZOS-API Matlab脚本,从而能够自动运行这个流程。

代码中包含的函数

代码中创建了六种函数。简要说明如下所示。

  • ListFiles()将数据文件夹视为输入字符串参数。它可以读取数据文件夹内部的文件名,识别表面编号并根据命名规则区分形变文件或温度文件。输出项包括结构数据以及整数文件编号(也就是文件夹中的文件数量

     

  • RemoveAllFEA()函数可以从当前系统中删除所有导入的FEA数据。它可以检查为每个表面导入的是温度数据集还是形变数据集,然后卸载这些已经导入的数据。

  • FEALoad()可用于从数据文件夹中导入和加载形变数据集和温度数据集。对于每个表面,可以把FEA数据集的坐标转换成全局坐标或局部坐标。拟合前还可以选择配置拟合设置,比如在拟合前删除结构数据中的RBM,为热数据设置GRIN步进值等。

  • SpotDiagram()使用ZOS-API语法示例22_seq_spot_diagram中的代码片段,在像面绘制点列图。

  • WavefrontMap()可用于从系统中获取波前图数据并绘制相关结果。

  • SagMap()可用于从当前系统中获取矢高图数据并绘制相关结果。

使用创建的函数分析光学性能 

在代码的主函数中,首先从系统中删除现有的FEA数据集,然后将一个时间段文件夹中的温度文件和形变文件导入到系统中,开展点列图分析和波前图分析,并在Matlab中绘制相关结果。  

保存为GIF文件

代码的最后一个函数是把来自每个时间段文件夹的帧分析图结合保存为gif格式图形文件。   

使用ZOS-API代码

我们使用如下所示的交互式代码

  1. 打开序列模式镜头文件。
  2. 在Matlab下点击交互式扩展(Interactive Extension),生成交互式链接模板代码。
  3. 点击编程…ZOP-API.NET应用…交互式扩展(Programming…ZOS-API.NET Applications…Interactive Extension)

  4. 在MATLAB中打开交互式代码TransientAnalysis.m,相应地调整下列部分,以自定义您的代码:

  5. 运行此代码,将生成下列gif文件。

通过下面的outSpot.gif示例,可以看到点列图从名义性能在形变和温度影响下,在10秒、60秒、600秒、1800秒和3600秒时间间隔的变化情况。

这里给出了outWavefront的示例。这个Gif文件显示了波前图从名义系统到五个时步的变化情况。

结果和分析

当把结构FEA数据集和热FEA数据集加载到系统中后,我们就可以检查FEA数据对系统性能的影响。例如,我们可以看下系统照射10秒激光后的情况。正如下列离焦RMS光斑半径曲线所示,我们的名义系统达到了衍射极限。

我们可以在这个曲线上,添加照射10秒激光后只显示热梯度效应以及同时显示结构形变和热梯度的离焦RMS光斑半径曲线,正如您所看到的,10秒高强度激光光束照射会显著降低系统性能。RMS光斑尺寸从几微米增加至近300微米。

此外,在对照射10秒后的系统分析像面上的轴上主光线位置时,我们注意到主光线发生了显著偏移。REAR操作数返回了轴上主光线的径向位置。它从名义位置移动了109微米。这样就造成了用于描述成像角度偏差的瞄准误差(BSER操作数)。

如果我们使用快速聚焦(Quick Focus)工具重新为系统聚焦,像面移动近4毫米,而且性能会有所提高。现在,我们可以看到光斑尺寸缩小,波前差减少,但性能仍然远未达到衍射极限。不过在删除大量离焦后,我们现在能在波前图中观察到一些由于热效应和结构效应导致的更精细结果。

接下来,我们将比较名义系统和系统在5个时步(即10秒、60秒、600秒、1800秒和3600秒)的波前差。

根据相关结果,从名义系统到10秒激光照射后的系统,我们观察到RMS光斑半径和RMS波前差显著增加。这种性能下降是激光加热的热弹性效应和热光学效应所导致的。随着时间的推移,热量可能会在系统上更加均匀地分布,从而导致光学元件的形状和折射率梯度变化更加均匀/平滑。在较长的照射时间下,这可能导致光斑尺寸缩小以及RMS波前差减少。

此外,STAR模块还可提供系统查看器(System Viewer)工具,方便您查看镜头体内部的折射率梯度分布情况。下面所示的是5个时间间隔,即10秒、60秒、600秒、1800秒、3600秒时分别对应的折射率梯度分布。

在这个系统中,热致效应导致聚焦光斑显著增大,从而降低系统效率。如果改为使用更高透射率的光学膜层或修改系统外壳以改善冷却,这些效应可以得到缓解。OpticStudio、OpticsBuilder和STAR实现的工作流程能方便地评估这些设计增强功能,并通过快速迭代获得最优解决方案。

结论

在这篇文章中,我们使用OpticStudio STAR模块演示了结构、热和光学性能分析的端到端工作流程。我们从经过优化的序列模式系统开始,导出到OpticsBuilder开展光机设计,再导入回OpticStudio非序列模式,以执行光线追迹,并使用体探测器来捕获由于激光加热而导致的每个元件上的吸收通量。然后从OpticStudio非序列模式导出相关结果,共享给FEA工程师,以便开展FEA分析。在完成FEA分析后,我们使用STAR模块把结构FEA结果和热FEA结果导入回OpticStudio序列模式,以分析激光加热导致的性能下降。

面向OpticStudio的STAR模块提供的新功能可以将FEA结果直接集成到OpticStudio中。这有助于更全面地研究激光加热引起的热形变和结构形变所造成的影响。

通过结合使用Zemax工具套件、OpticStudio、OpticsBuilder和STAR模块,设计团队能够在其光学和光机设计工作流程中无缝集成FEA数据。此外,STAR-API还可帮助工程师简化和自动化完成整个流程。

欢迎点击此处,在我们的知识库里查看完整文章和可下载的示例文件。

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作者:

Julia Zhang, Senior Application Engineer, Ansys
Hui Chen, Senior Application Engineer, Ansys
Steven La Cava, Senior Application Engineer, Ansys
Chris Normanshire, Lead Application Engineer, Ansys