構建高功率鐳射系統的公司需要一種快速、可靠的方法，來在設計過程中對其光學元件的各個方面（包括對其製造的產品的結構影響和熱影響）進行建模和模擬。
OpticStudio STAR 模組可簡化將結構資料和熱資料導入 OpticStudio 工作流的過程，從而大大節省時間並為系統分析提供了新的可能性。本白皮書將為您介紹通過 FEA 分析完成 Zemax 支援的鐳射系統設計和虛擬測試的五個階段，展示我們的集成工具（包括全新的 OpticStudio STAR 模組）如何簡化此工作流，以減少所需的時間和專業知識，並降低與將 STOP 分析納入高功率鐳射系統設計相關的錯誤風險。
簡介
高功率雷射器廣泛應用於鐳射切割、標記、焊接和鑽孔等應用領域，以及醫療設備等特殊製造市場。與所有光學系統一樣，為這些鐳射應用設計光學和機械元件的工程師必須在製造之前對其設計的所有方面進行建模、模擬和虛擬測試，以便瞭解最終產品在真實環境中的性能。通過該建模實現的驗證活動，工程師可以深入瞭解為了反覆運算並不斷改進與優化其設計所需瞭解的複雜影響。
對於高功率鐳射系統，該建模必須包括結構性能、熱性能和光學性能 (STOP) 分析。這是因為高功率雷射器中的光學系統常常會因為雷射器本身的發熱而出現性能降級（無論是由於透鏡材料的體吸收還是通過塗層進行的表面吸收）。這將從兩個方面影響產品性能 ：透鏡材料溫度升高引起的折射率變化和機械應力引起的結構形變。這些影響反過來會導致焦距穩定性以及雷射光束品質和尺寸的變化。
STOP 分析所需的資料通常是使用有限元分析 (FEA) 工具收集的。在獲得 FEA 結果後，工程師便可以根據預測的結構影響和熱影響來評估和修改他們的設計。但是，如果在其他公差計算和設計驗證週期之外手動進行STOP 建模，或者光學和機械設計團隊缺乏共用反覆運算更改的公共平臺，則此過程可能會非常耗時且容易出錯。
歡迎使用 OpticStudio STAR 模組
借助 OpticStudio 結構、受熱、分析和結果 (STAR) 模組，工程師可以使用來自任何 FEA 解算器（如Ansys、NASTRAN 或 Abaqus FEA） 的 簡 單 文 本分隔輸出檔， 輕鬆準確地將 FEA 結果集成到OpticStudio 中。通過將這些資料無縫地構建到其他設計驗證活動中，工程師可以更全面地研究雷射器發熱所引起的熱形變和結構形變的影響。
由於這一新模組是 Zemax 工具套件的原生模組， 工程師還可以輕鬆進行跨團隊協作，一起在一個共用的檔中更改設計，從而避免了合併外部驗證週期時所需的額外步驟以及任何因缺乏溝通而導致的返工。
借助 OpticStudio、OpticsBuilder 和 OpticStudio STAR 模組，設計團隊可以通過將 FEA 資料無縫集成到光學和光機械設計工作流中，來瞭解相應方面對光學性能的物理影響。對於鐳射應用，這意味著公司可以在執行以下操作時全程使用 Zemax 軟體 ：
• 設計和優化高功率鐳射系統的光學元件。
• 在現有 CAD 平臺內輕鬆共用光學設計和分析光機械封裝。
• 分析光學和機械方面的吸收功率。
• 集成 FEA 套裝軟體，以便就光學性能的結構效應和熱效應分析進行詳細的影響評估。
內容導覽
本白皮書介紹了用於進行切割或雕刻的材料
如圖 1 所示，我們將介紹以下內容 ：
1. 光學設計（使用 OpticStudio）
2. 光機械設計（使用 OpticStudio 和 OpticsBuilder）
3. 進行 FEA 準備（使用 OpticsBuilder）
4. 有限元分析 (FEA)（可自選工具，在本例中為 Ansys）
5. FEA 資料導入和 STOP 分析（使用
在設計師從 OpticStudio STAR 模組中獲得所需的 STOP 分析見解後，他們就可以返回到第 1 階段，在不破壞生產力或造成流程混亂的情況下在自己的努力範圍內或跨團隊對光學設計進行反復反覆運算。
.jpg)
圖 1. 有關高功率鐳射系統的設計、評估和改進的集成工作流。
1. 創建（或反覆運算）光學設計
在任何高功率雷射器設計中，光學系統都必須以高度受控的方式將雷射光束投射到工件上。OpticStudio 擁有設計此類系統以獲得最佳性能所需的所有工具。以下各個部分描述了我們將在本白皮書使用的示例中考慮的系統規範，以及在此階段 Zemax 將如何在優化設計工作流中發揮作用。
針對此示例的光學系統設置
在我們的示例中，雷射器的功率為 800W。聚焦透鏡是一個經調整的 F-Theta 透鏡，可確保持續的緊密聚焦， 因此具有高鐳射功率。
.jpg) 圖 2. 鐳射系統的性能（光斑尺寸與焦點）。
|
.jpg) 圖 3. 鐳射系統佈局。
|
透鏡在波長為 1064 nm 時的有效焦距為 100 mm，如圖 2 和圖 3 所示。性能將受制於衍射極限，並且在不考慮熱效應或結構效應的情況下，在 +/-0.12mm 的範圍內一直如此，如均方根 (RMS) 光斑尺寸與焦點分析所示。
針對此示例的光學系統設置
塗層的吸收以及缺陷和污垢的存在是高功率鐳射應用中出現熱效應的最常見原因。假設使用乾淨且無缺陷的全新透鏡，我們可以組合應用多個 Zemax 工具來分析塗層和基材的吸收所產生的影響。我們將在 OpticStudio 中開始這一過程，為所有透鏡表面應用防反射塗層，為反射鏡應用高反射率塗層，並使用精確的透射資料來指定透鏡材料。
為了在本示例中進行完整建模，我們還需要一些附加資訊，例如光學和機械元件的導熱係數以及有關透鏡安裝方式的詳細資訊。在後面的內容中，我們將在 FEA 套裝軟體中使用示例資訊來為示例設計計算熱效應和結構效應。
2. 準備光機械零件
|
在光學設計完成後，下一步便是為光學元件創建一個機械外殼。這一階段在兩個關鍵方面進一步改變了對設計產生結構影響和熱影響的考慮因素。首先，除了為光學系統提供保護和安置外，透鏡和反射鏡的安裝設計還引入了額外的機械負荷源。其次，安裝件還可以用作散熱片，以散發來自光學元件的熱量。
要在這一階段取得成功，光學和機械設計師們必須在確定緩解這些風險場景所需的設計變更時，進行有效且高效的溝通。OpticStudio 與 OpticsBuilder 之間的無縫交互使所有相關人員都可以輕鬆地共用他們的工作，從而大大簡化了此過程。
使用 OpticStudio 中的“OpticsBuilder 準備檔” 工具，光學團隊可以將光學系統與結構轉換為可共用的格式，然後光學機械工程師可以使用OpticsBuilder 在其 CAD 工具中直接打開該格式。光學元件自動轉換為原生 CAD 零件，並包含創建外殼所需的所有資訊。所有光學或機械設計團隊成員所做的所有更改都將共用在一個檔中，大大減少了出現溝通失誤和工作週期浪費的機率。
在使用草圖和其他工具（如“旋轉”和“拉伸”）創建機械元件後，就像在任何其他項目中一樣，工程師可以將光學元件與該元件匹配，並將該元件與其他元件匹配，以創建完整的光機械系統設計。圖 4 顯示了這個過程。
然後，借助 OpticsBuilder，機械工程師可以通過在CAD 環境（該環境同時包括與光學和光機械元件的交互）中運行光線追蹤，來評估外殼是否以任何方式影響了光學性能。
此外，還可以通過光線在系統中的路徑對光線進行過濾和顏色編碼，如圖 5 所示，這樣就可以很容易地區分通過系統的藍色光線和被 CAD 零件或光學元件剪裁的紅色光線。然後，機械工程師可以識別並解決光機械問題，而無需將問題返回光學工程師那裡進行進一步分析。 |
.jpg) 圖 4. 在 SOLIDWORKS 中創建光機械元件並使用 OpticsBuilder 進行分析。
.jpg) 圖 5. 在 OpticsBuilder 中進行光線追蹤，以評估機械外殼的影響。
|
3. 準備要執行 FEA 的設計
|
完成外殼部分後，可以將整個設計以非序列模式輕鬆匯出到 OpticStudio，以生成為 FEA 工具提供的輸入資料。這部分包括三個階段 ：
1. 修改模型以記錄吸收通量。 2. 對雷射光束進行光線追蹤。 3. 以您選擇的 FEA 工具可輕鬆接受的格式匯出各種資料，包括 ： • 探測器上的吸收功率（來自 OpticStudio 非序列模式） • 系統幾何圖形，作為 CAD 零件（來自 OpticStudio 非序列模式或 OpticsBuilder） |
.jpg) 圖 6. 計算光學系統吸收的鐳射功率 |
要使用 Zemax 應用程式設計發展介面 ZOS-API 實現此階段的自動化，您可以生成一個腳本來檢索存儲在探測器上的資料並配置輸出，以滿足 FEA 套裝軟體的輸入要求。
然後，將整個系統幾何圖形作為 CAD 零件的集合匯出到 FEA 工具。
4. 執行 FEA
|
此階段可以在任何合適的 FEA 套裝軟體中進行。FEA 工具將導入 OpticStudio 中的吸收通量資料和整個系統的 CAD 模型，並使用這些資料在每個時間步長執行瞬態熱分佈分析和靜態結構分析。在我們的示例中，我們將使用 Ansys 作為 FEA 平臺，應用導入的資料點來計算四面體網格（在 Ansys 中使用光學和機械元件的 STEP 檔創建）上的熱分佈，如圖 7 所示。
完成此分析後，任何 FEA 工具都可以簡單地將分析結果輸出為一系列簡單的定位字元分隔型文字檔。至此，便可以使用 OpticStudio STAR 模組對這些輸出檔進行導入和分析了。
|
.jpg) 圖 7. Ansys 熱分析中的溫度分佈。
|
5. 使用 OpticStudio STAR 模組進行分析，以瞭 解 STOP 影響
如圖 8 所示，OpticStudio STAR 模組將 FEA 資料直接讀取到原始序列光學模型中，在該模型中，您可以使用各種 OpticStudio 工具來直觀顯示和驗證資料集的調整情況以及結構擬合和熱擬合的品質。現在，您可以觀察改變光學表面形狀的結構效應，以及可能導致元件折射率發生不均勻變化的複雜溫度分佈。
.jpg) |
載入資料後，所有 OpticStudio 分析功能均可用於探尋系統的反應，並獲得對相應行為的深入瞭解， 這在過去往往是非常耗時，甚至無法實現的。例如， 圖 9 顯示了 OpticStudio STAR 模組在 OpticStudio 中實現的波前圖，其中包括打開或關閉模組中的各種效應的功能，可讓您輕鬆比較應用相應效應“之前”和“之後”的性能。
|
|
為了説明公司實現更高的效率，OpticStudio STAR 模組擁有自己的 API，以便與 ZOS-API 進行本機通信，後者可用於實現 FEA 資料導入自動化。在設計複雜系統時，使用 STAR-API 可以為工程師節省時間，並且可以跨多個時間步長進行資料分析和比較， 以瞭解系統性能的演變。
|
.jpg) 圖 9. 波前圖（包括結構效應和熱效應的影響）。
|
|
在分析 FEA 資料時，能夠看到熱影響隨時間發生變化的方式，而不僅僅是一個快照，這是一個非常強大的功能。OpticStudio STAR 模組可輕鬆實現此級別的分析，而不會在整個工作流中添加更多步驟。在我們的示例系統中，運行 10 秒後，我們可以看到（使用 OpticStudio STAR 模組）熱誘導效應導致聚焦光斑顯著增大，系統效率降低，如圖 10 和圖
11 所示。 瞭解熱影響和結構影響隨著時間推移的變化可以讓我們獲得更深刻的見解，從而更快地實現更高的設計完整性。例如，為了減輕圖 10 和圖 11 中所示的效應，工程師可能會選擇一個透射率更高的光學塗層，或者修改系統外殼以改善散熱能力。通過由OpticStudio、OpticsBuilder 和 OpticStudio STAR 模組所支援的集成工作流，評估這些和其他潛在的設計增強因素將會變得輕而易舉，並且可快速反覆運算到最佳解決方案。
在該階段的最後，當設計團隊完成瞭解 STOP 影響所需的 FEA 資料分析後，他們可以返回到第 1 階段， 更新其設計並重複該週期以進行進一步驗證。通過這種方式，他們將 STOP 分析無縫地集成到了其工作流中，並通過以下做法將干擾降至最低 ：
• 除了 FEA 處理本身以外，所有階段都在 Zemax 工具集中完成。 • 通過支持方便地在任何 FEA 套裝軟體中進行導入和匯出，優化了 FEA 階段。 • 使用 OpticsBuilder 在單個檔中跨團隊共用所有工作，以大大減少浪費的週期。 • 降低了在設計中執行和適應 STOP 分析所需的專業知識水準。 |
.jpg) 圖10. 有無結構效應和熱效應時的聚焦光束尺寸比較（雷射器運
.jpg) 圖 11. 考慮結構效應和熱效應的情況下，聚焦雷射光束大小隨時間的變化。第一張圖展示了初始 OpticStudio STAR 模組讀數的表現，
第二張圖展示了相同讀數在 10 秒後的表現。 |
結論
OpticStudio STAR 模組可簡化將結構資料和熱資料導入 OpticStudio 的過程，從而大大節省時間和成本並為系統分析提供了新的可能性。通過執行過去對許多公司而言不可行或不可能實現的光學系統設計驗證水準，該模組將 Zemax 更緊密地集成到優化的產品開發週期中，從而使這些公司具有競爭力並取得成功。通過結合使用 OpticStudio、OpticStudio STAR 模組和 OpticsBuilder，工程團隊可以創建一個全面的工作流，用於設計、分析和改進整個光學系統，包括用於高功率鐳射應用的光學系統及其在結構和受熱方面所呈現的獨特考慮因素。
業務聯絡：ansys_sales@cybernet-ap.com.tw
