ansys激光功率加載
關注創建者：王靖雯 創建時間：2023-03-07
ansys激光功率加載的實例教程
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。（聯系我們獲取文章附件）
FEA 分析準備
在本文中，我們將在 OpticStudio 中打開完整的光機系統，準備記錄光束穿過鏡頭和反射鏡時被吸收的激光功率。隨后，我們使用可以導入到FEA軟件的格式來導出此數據。打開附件中的 ‘system_NSC_2022.zar’ 文件。
體探測器物體
與 2D 探測器物體（例如矩形探測器、表面探測器、顏色探測器等）不同，體探測器為 3D 物體形式的探測器，探測器將通過像元（體積形式的像素）記錄對應的吸收通量、入射通量以及體吸收通量。為了獲得鏡頭中對應的吸收通量數據，我們將在系統中使用體探測器物體。
當使用體探測器時，我們可以充分利用非序列模式中的嵌套規則，計算鏡頭等物體內部吸收的通量。如果兩個非序列模式物體在空間里重疊，則重疊區域中的光線行為由嵌套規則進行確定。嵌套規則規定：如果光線在空間里的同一位置上照射到一個以上的物體，NSC 編輯器中列出的最后一個物體將用于確定該位置上用于與光線相互作用的表面屬性或體屬性。
添加體探測器物體
為了獲得鏡頭吸收的通量，我們將為每個元件添加一個體探測器物體。根據嵌套規則，在 NSCE 的每個鏡頭前面插入一個略大于相應鏡頭元件的體探測器。
展開 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形變。本篇是這個系列的最后一篇內容。（聯系我們獲取文章附件）
使用 STAR 模塊分析 STOP 效應
在您的 FEA 軟件中完成結構與熱分析后，可將數據導出為一系列簡單的文本文件，以便利用 STAR 模塊導入到 OpticStudio 中。在這篇文章中，我們將演示如何執行完整的 OpticStudio 分析，以幫助您量化和了解系統光學性能的影響。有關所需 STAR 數據格式的完整詳細信息，請參閱 OpticStudio 幫助文件 STAR 選項卡> FEA 數據組>加載 FEA 數據章節。對于 Ansys Mechanical，有 ACT 擴展可用于以正確格式自動輸出數據。
在 OpticStudio 中加載和擬合 FEA 數據
1 首先，我們打開文章下載附件中的 ‘Lens-3P_D25.4_2022.zar’ 文件，這是系列文章第一篇中介紹的原始序列模式光學系統。我們將在 STAR 模塊上應用來自 FEA 工具的結構和熱數據，并評估其對名義光學系統性能的相關影響。
2 如果要加載 FEA 數據，我們點擊 STAR…FEA數據…加載FEA數據（STAR…FEA Data…Load FEA Data），瀏覽到對應數據文件位置，選擇全部相關文件，并點擊 打開（Open）。
展開 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。
下載
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光機械設計準備
光學設計完成后，下一階段就是為光學元件創建機械封裝。除了提供光學系統的保護和布局安裝外，透鏡和反射面的安裝設計還將引入機械導入光源。此外，這些機械元件還可以作為散熱器，為光學元件散熱。我們將在稍后的過程中探討這兩個問題，但現在我們將專注于光機械設計。OpticStudio 和 OpticsBuilder 之間的交互可大幅簡化這一過程。Prepare for OpticsBuilder 工具能導出光學系統，且導出格式方便光機工程師直接在他們的 CAD 工具中打開系統，其中包含創建光機系統所需的所有信息。
光機械系統整體創建完成后，整個設計便可以輕松導出到 OpticStudio 非序列模式。OpticStudio 非序列模式能夠將每個物體視為探測器，以計算系統中每個光學器件和機械表面上的吸收通量。額外的探測器可以記錄鏡頭體內的吸收通量。當激光以光束的形式在系統中傳播，我們可以記錄它們與元件的每一次相互作用。
展開 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，以實現最佳性能。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。
該系統最初設計的波長為 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”。
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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
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