本系列作者: Julia Zhang, Hui Chen, Steven La Cava & Chris Normanshire

大功率激光器廣泛用于各種領域當中，例如激光切割、焊接、鉆孔等應用中。由于鏡頭材料的體吸收或表面膜層帶來的吸收效應，將導致在光學系統中由于激光能量吸收所產生的影響也顯而易見，大功率激光器系統帶來的激光能量加熱會降低此類光學系統的性能。為了確保焦距穩定性和激光光束的尺寸和質量，有必要對這種效應進行建模。

在本系列的 5 篇文章中，我們將對激光加熱效應進行仿真，包括由于鏡頭材料溫度升高而引起的折射率變化，以及由機械應力和熱彈性效應造成的結構變形。

激光導致的熱效應

通常情況下，OpticStudio 將使用熱分析（Make Thermal）工具對熱效應進行建模。該工具可在不同溫度下設置系統的多重結構，以允許分析性能隨熱變化而引起的變化。但是，該熱分析工具有一定的局限性。首先，分析中假設在整個元件上指定的溫度是均勻的；其次，分析將僅基于材料的CTE，以線性方式模擬熱膨脹和熱收縮情況。這是一種非常簡化的方法，沒有考慮光學元件中的溫度梯度分布所導致的性能下降。此外，它也無法精確地仿真光學元件的形狀變形，相反結構變形將簡單地近似為由于加熱而導致的曲率半徑均勻平滑。

OpticStudio 的 STAR 模塊則可以完全解決這些局限性問題，它可提供一種將 FEA 分析數據結果直接集成到OpticStudio 中進行擬合的新功能，具有無與倫比的易用性和準確性。這有助于更全面地研究激光加熱效應引起的熱變形和結構變形所帶來的影響。

結合 Ansys Zemax 光學工具套件，設計團隊首次能夠通過將 FEA 數據無縫集成到其光學和光機設計工作流程中來了解以下系統情況：

設計和優化大功率激光系統的光學元件

在 CAD 平臺中輕松共享光學設計并分析光機封裝的影響

與 FEA 軟件集成，以詳細分析評估結構和熱效應對光學性能的影響

分析光學和機械元件中的吸收功率

設置光學系統

光學系統必須以高度可控的方式將激光光束傳送到工件上，而 OpticStudio 提供了設計系統所需的所有工具，以實現ZUI佳性能。在本示例中，聚焦鏡頭是 F-Theta 鏡頭，其可確保在掃描期間的不同位置處始終保持光束緊密聚焦，從而實現高激光功率。它包含一組三個聚焦鏡頭和一個放置在圖像平面前方的保護窗。

下圖所示的系統在業界普遍使用。它包含兩個掃描鏡、一組三個聚焦鏡頭和一個放置在圖像平面前方的保護窗。兩個反射鏡可沿不同的方向旋轉，以確保激光能夠掃描工作平面上的不同位置。

在該示例中，我們將使用類似的系統，但僅包含一個反射鏡。聚焦鏡頭是 F-Theta 鏡頭。它可確保在掃描期間光束在圖像平面上的不同位置保持緊密聚焦，因而實現高激光功率。F-Theta 鏡頭設計具有較小的 f-θ 畸變，因此當激光以恒定速率掃描時，系統會在相對較大的像面上產生線性位移。

該系統ZUI初設計的波長為 1064nm，等效焦距為 100mm，掃描角度為 2.5 度。在評價函數編輯器（Merit Function Editor）中，我們為玻璃和空氣厚度添加適當的邊界約束，并將 “光瞳積分” 設置為具有 4 環數和 6 臂的 “高斯求積”。您可以在文章附件中找到這個初始文件 “starting point.zar”。

然后，我們執行全局優化，以實現具有合理光斑尺寸的系統。從 RMS 與視場分析中，我們看到系統的性能現在達到衍射極限。這只是 OpticStudio 全局搜索算法所發現的眾多可能的設計備選方案一。

準備進一步分析

現在對ZUI終優化的系統稍作調整，為接下來的設計和分析做準備。我們將只在軸上情況下使用該系統，所以除了 0 度之外的所有視場都被刪除了。在鏡頭前 40mm 處添加一個 X 傾斜角為 -90 度的反射鏡，并設置為系統光闌。將入瞳直徑減小到 18mm，并為所有光學元件分配 12.7mm 的固定半直徑（直徑25.4mm）。

打開表面 #4 的“表面屬性……繪圖（Surface Properties…Draw）”選項卡，將 “厚度” 設置為 2.65mm。此設置不僅會影響序列模式下布局窗口中的繪圖，還會在將系統轉換為非序列模式時定義反射鏡的厚度。

如果不考慮鏡頭中的溫度變化，系統的聚焦在一定焦深范圍內是穩定的。這可以從 RMS 與聚焦的分析中看出，如下圖所示：

序列設計現在已經完成。您可以在文章附件中找到此文件 “Lens-3P_D25.4_2022.zar”，以供您參考。

結論

我們已經設置了序列模式光學系統，并優化了其光學性能。下一步是準備我們的系統，以導出到 CAD 軟件中進行機械封裝設計。

審核編輯：湯梓紅