高功率激光系統
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
高功率激光系統的實例教程
簡介
激光擴束準直系統是激光傳輸、激光加工、激光雷達及天文觀測等領域的核心光學組件，可按指定倍率擴大光束直徑、壓縮發散角，保障長距離傳輸時的高平行度與高能量密度。本案例依托 OAS 光學軟件，完成激光擴束準直系統的全流程建模、仿真、優化與性能驗證，精準量化光束傳播特性、像差水平與準直性能，為工程化設計提供可靠數據支撐與優化方向。
案例設置與操作
模型構建
采用 OAS 軟件序列光線追跡模式，構建擴束準直結構，由負透鏡與正透鏡組合而成，無內部實焦點，適配高功率激光應用場景。透鏡材料選用熔融石英，匹配紅外波段低吸收與高激光損傷閾值需求；表面鍍制寬帶增透膜，控制反射率，提升光能利用率。
光源與探測器設置
在軟件光源模塊中創建高斯光束光源，精準匹配實際激光器輸出模式，設定束腰半徑、光軸方向與能量分布。于系統出射端設置近場光斑探測器、遠場發散角探測器與波前探測器，同步采集光束直徑、發散角、能量分布及波前畸變數據，排除環境噪聲與無效信號干擾，保障結果準確性。
分析優化
執行序列光線追跡，生成三維光路追跡圖與光束傳播動畫，直觀呈現擴束、準直全過程。以發散角最小化、波前誤差最優化為目標，啟用軟件內置優化算法，將透鏡曲率半徑、厚度、空氣間隙設為變量，自動校正球差、彗差等初級像差，完成多目標迭代優化。通過公差分析模塊，評估元件加工與裝調誤差對系統性能的影響，給出工程容錯范圍。
總結
本案例借助 OAS 光學軟件完成激光擴束準直系統全流程設計與仿真，實現從概念建模到性能驗證的一體化閉環，高效解決擴束倍率、發散角控制、像差校正等關鍵問題。軟件跨尺度仿真、智能優化與多維度分析能力，可縮短設計周期、降低實物試制成本，提升系統可靠性與工程適配性，為激光應用領域光學系統研發提供高效、精準的國產工具支撐。
展開 關鍵詞：高功率激光發射系統；擴束系統
1 引言
高功率激光發射系統是強激光空間傳輸系統中不可缺少的裝置。對高功率激光發射系統的研究一直是激光應用領域的關鍵技術問題。高功率激光發射系統通常由準直系統、導光光路系統和擴束系統組成,光學系統要求具有高抗激光損傷閾值、高反射率、熱變形小等特點。這里我們主要討論擴束系統的設計。
2 設計要求
項目
指標要求
發散角
<3mrad
擴束前光束寬度
45mm*45mm
擴束比
2
系統波像差
λ/4
波長
10.6um
兩鏡間距
200mm左右
3 設計方案選擇
由于激光波長較長，出射光束直徑較大，大口徑透鏡材料價格昂貴，反射系統便于冷卻，同時為了避免中心遮攔對激光能量的損失,提高系統的發射能量，故高功率激光擴束系統選擇離軸無焦卡塞格林系統進行擴束。所設計的離軸卡塞格林擴束系統,其擴束倍率為2倍,主鏡離軸量265mm,次鏡離軸量132.5mm,主鏡為凹拋物面,次鏡為凸拋物面。
4設計步驟
根據主次鏡間距和擴束比計算主次鏡的曲率半徑，主次鏡曲率半徑分別為800mm和400mm。
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。（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 產品簡介Laser Point 功率計和能量計是意大利生產的廣泛適用于科研和工業領域激光測量的標準產品，具有高精度、寬波?范圍、多種測量模式、易于操作、輕便易攜、高可靠性、接口豐富等優點。
Laser Point 系列產品具有高精度的測量能?，能夠精確地測量激光器的輸出功率。能夠適用于不同波?范圍的激光器，包括紫外線、可?光和紅外線等。具有多種測量模式，包括連續測量、脈沖測量、峰值測量等，能夠滿足不同應用場景的需求。操作簡單，用戶只需要按照提示進?操作，即可完成測量。體積小巧，重量輕，易于攜帶，適用于現場測試和移動測量。采用先進的技術和材料，具有高可靠性和穩定性，能夠?時間穩定工作。具有多種接口，包括 USB、RS232、GPIB 等，能夠與計算機、控制器等設備進?連接，實現數據傳輸和控制。主要型號和參數表
激光組合式功率計
USB/RS接電腦
產品咨詢和訂購熱線李經理：13584002366（微信同號）
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簡介
激光擴束準直系統是激光傳輸、激光加工、激光雷達及天文觀測等領域的核心光學組件，可按指定倍率擴大光束直徑、壓縮發散角，保障長距離傳輸時的高平行度與高能量密度。本案例依托 OAS 光學軟件，完成激光擴束準直系統的全流程建模、仿真、優化與性能驗證，精準量化光束傳播特性、像差水平與準直性能，為工程化設計提供可靠數據支撐與優化方向。
案例設置與操作
模型構建
采用 OAS 軟件序列光線追跡模式
在處理高功率激光系統時，這一點尤其重要，因為大功率背向反射可能會導致光源損壞。同時這在高度敏感的系統中也很重要，例如內窺鏡檢查或使用干涉效應的系統（例如光學相干斷層掃描等）。
了解斜切光纖的幾何形狀
考慮具有 8 度斜切角度端面的光纖，假設光纖的折射率為 1.47，可通過將 n = 1.47 的模型玻璃分配給圖像表面的材料單元完成建模。
用于光束切趾的圓形鋸齒光闌
VirtualLab Fusion獨特的模擬技術使用戶能夠對濾波進行詳細建模，從而評估對光學系統性能和特性的影響。
空間濾波是光學中的一項關鍵技術，用于細化激光束，提高其質量，并最大限度地減少像差和不必要的衍射效應。通過采用透鏡和光闌的組合，空間濾波選擇性地從激光束中去除不想要的成分
空間濾波是光學中的一項關鍵技術，用于細化激光束，提高其質量，并最大限度地減少像差和不必要的衍射效應。通過采用透鏡和光闌的組合，空間濾波選擇性地從激光束中去除不想要的成分，例如噪聲、衍射圖案和空間不規則性。這一過程確保了更均勻的強度分布，減少了發散，增強了相干性，從而提高了光束質量。空間濾波在各種應用中是必不可少的，包括激光加工、全息技術、顯微鏡和通信領域，其中對光束特性的精確控制對于最佳性能和精度至關重要
在本教程項目中，我們研究了加熱對實際二極管激光器模式輪廓的影響，即熱透鏡。溫度的變化會引起材料折射率的變化。這當然會影響波導模式的形狀和傳播常數。通常加熱會增加折射率，從而導致模式的橫向壓縮.
下圖是我們分析的超大型光波導激光器的截面：
二極管激光器由一個pn-結組成。用于激光模式的橫向波導是由蝕刻在結構中的兩個溝槽形成的。橫截面是由布局文件中的一些平行四邊形設置的
在本教程項目中，我們研究了加熱對實際二極管激光器模式輪廓的影響，即熱透鏡。溫度的變化會引起材料折射率的變化。這當然會影響波導模式的形狀和傳播常數。通常加熱會增加折射率，從而導致模式的橫向壓縮.
下圖是我們分析的超大型光波導激光器的截面：
二極管激光器由一個pn-結組成。用于激光模式的橫向波導是由蝕刻在結構中的兩個溝槽形成的。橫截面是由布局文件中的一些平行四邊形設置的
光學系統中的熱透鏡8個月前
現代技術在材料加工領域的出現，使得高功率激光源在光學系統中的使用頻率大大增加。高能源產生的大量熱量導致了幾何形狀的變形和系統中光學元件折射率的調制，這將影響它們的光學特性。在VirtualLab Fusion中，這些效應是通過連接表面算子和非均質介質的求解器來處理的。我們在材料加工應用中常見的各種光學元件（如透鏡和激光棒）中演示了這些效應。
光學系統中的熱透鏡9個月前
現代技術在材料加工領域的出現，使得高功率激光源在光學系統中的使用頻率大大增加。高能源產生的大量熱量導致了幾何形狀的變形和系統中光學元件折射率的調制，這將影響它們的光學特性。在VirtualLab Fusion中，這些效應是通過連接表面算子和非均質介質的求解器來處理的。我們在材料加工應用中常見的各種光學元件（如透鏡和激光棒）中演示了這些效應。
法布里珀羅干涉儀設計案例
簡介
法布里珀羅干涉儀作為一種高分辨率光學儀器，基于多光束干涉原理構建。其核心結構由兩塊高度平行的反射鏡組成諧振腔，當光進入該諧振腔后，會在鏡面間進行多次反射。在這一過程中，透射光會形成干涉條紋，而這些干涉條紋的強度分布取決于光在腔內傳播產生的相位差。
該干涉儀具備極高的光譜分辨率和精細度，這使其在眾多領域都有著廣泛的應用。在光譜學領域
在本教程項目中，我們研究了加熱對實際二極管激光器模式輪廓的影響，即熱透鏡。溫度的變化會引起材料折射率的變化。這當然會影響波導模式的形狀和傳播常數。通常加熱會增加折射率，從而導致模式的橫向壓縮.
下圖是我們分析的超大型光波導激光器的截面：
二極管激光器由一個pn-結組成。用于激光模式的橫向波導是由蝕刻在結構中的兩個溝槽形成的。橫截面是由布局文件中的一些平行四邊形設置的
