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大功率激光系統(tǒng)的STOP分析5:OpticStudio STAR模塊工作流程

發(fā)布日期:
2023-01-09

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大功率激光器廣泛用于各種領(lǐng)域當(dāng)中,例如激光切割、焊接、鉆孔等應(yīng)用中。由于鏡頭材料的體吸收或表面膜層帶來的吸收效應(yīng),將導(dǎo)致在光學(xué)系統(tǒng)中由于激光能量吸收所產(chǎn)生的影響也顯而易見,大功率激光器系統(tǒng)帶來的激光能量加熱會降低此類光學(xué)系統(tǒng)的性能。為了確保焦距穩(wěn)定性和激光光束的尺寸和質(zhì)量,有必要對這種效應(yīng)進行建模。在本系列的 5 篇文章中,我們將對激光加熱效應(yīng)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(yīng)力和熱彈性效應(yīng)造成的結(jié)構(gòu)形變。本篇是這個系列收關(guān)的一篇內(nèi)容。


使用 STAR 模塊分析 STOP 效應(yīng)


在您的 FEA 軟件中完成結(jié)構(gòu)與熱分析后,可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出為一系列簡單的文本文件,以便利用 STAR 模塊導(dǎo)入到 OpticStudio 中。在這篇文章中,我們將演示如何執(zhí)行完整的 OpticStudio 分析,以幫助您量化和了解系統(tǒng)光學(xué)性能的影響。有關(guān)所需 STAR 數(shù)據(jù)格式的完整詳細信息,請參閱 OpticStudio 幫助文件 STAR 選項卡> FEA 數(shù)據(jù)組>加載 FEA 數(shù)據(jù)章節(jié)。對于 Ansys Mechanical,有 ACT 擴展可用于以正確格式自動輸出數(shù)據(jù)。詳情請查看:OpticStudio STAR 模塊:Ansys 數(shù)據(jù)導(dǎo)出擴展。https://support.zemax.com/hc/zh-cn/articles/4406536983315


在 OpticStudio 中加載和擬合 FEA 數(shù)據(jù)

注意:這些步驟操作需要您持有 STAR Module 以及 OpticStudio 授權(quán)。


1 首先,我們打開文章下載附件中的 'Lens-3P_D25.4_2022.zar' 文件,這是系列文章首篇中介紹的原始序列模式光學(xué)系統(tǒng)。我們將在 STAR 模塊上應(yīng)用來自 FEA 工具的結(jié)構(gòu)和熱數(shù)據(jù),并評估其對名義光學(xué)系統(tǒng)性能的相關(guān)影響。


2 如果要加載 FEA 數(shù)據(jù),我們點擊?STAR…FEA數(shù)據(jù)…加載FEA數(shù)據(jù)(STAR…FEA Data…Load FEA Data),瀏覽到對應(yīng)數(shù)據(jù)文件位置,選擇全部相關(guān)文件,并點擊?打開(Open)。這里有多個文件夾,其中包含了來自分析流程中不同時間點的數(shù)據(jù)。首先,我們使用來自 “FEA_Data_800W_0010s” 文件夾的數(shù)據(jù)。


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下拉菜單可用于向正確的表面分配結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集和熱數(shù)據(jù)集。右側(cè)顯示的布局圖可幫助我們檢查數(shù)據(jù)集是否良好匹配至系統(tǒng)元件表面,然后選擇確定(OK),以擬合數(shù)據(jù)。


大功率激光系統(tǒng)的STOP分析5:OpticStudio STAR模塊工作流程

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使用擬合評估(Fit Assessment)工具可以檢查每個數(shù)據(jù)集的擬合誤差。默認情況下,在擬合表面形變前會刪除每個數(shù)據(jù)集內(nèi)部的剛體運動(RBM)。這通??梢蕴岣邤M合準(zhǔn)確度,但用戶能夠完全控制該設(shè)置。


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在結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)摘要與熱數(shù)據(jù)摘要(Structural Data Summary and Thermal Data Summary)表格中,用戶可以啟用或禁用每個表面的FEA數(shù)據(jù)集。


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當(dāng)啟用STAR數(shù)據(jù)后,我們可以檢查分析窗口,以查看FEA數(shù)據(jù)對系統(tǒng)性能的影響,如波前圖(Wavefront Map)、點列圖(Spot Diagram)、矢高圖(Sag Map)等分析。


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大功率激光系統(tǒng)的STOP分析5:OpticStudio STAR模塊工作流程


通過 ZOS-API 將 FEA 數(shù)據(jù)導(dǎo)入到 STAR,并開展光學(xué)性能分析


我們已經(jīng)演示了如何方便地將 FEA 數(shù)據(jù)手動導(dǎo)入到 STAR。另一種方法是使用 STAR-API 的功能實現(xiàn)這個流程的自動化。當(dāng)需要分析多個 FEA 數(shù)據(jù)集時,這種做法特別有用。在本節(jié)中,我們將演示如何使用 Matlab 腳本為 FEA 模擬的多個時步加載 FEA 數(shù)據(jù)。腳本 “TransientAnalysis.m” 將包含在文章附件中。


代碼中所包含的函數(shù)

將在代碼中創(chuàng)建以下六種函數(shù),并且在下方提供了對應(yīng)的講解。


大功率激光系統(tǒng)的STOP分析5:OpticStudio STAR模塊工作流程


ListFiles():將數(shù)據(jù)文件夾作為輸入字符串變量,該函數(shù)將讀取數(shù)據(jù)文件夾中的文件名,并根據(jù)命名規(guī)則識別表面編號以及數(shù)據(jù)文件是形變文件還是溫度文件。輸出項是一個結(jié)構(gòu) Data 和一個整數(shù)型文件數(shù),即文件夾中的文件數(shù)量。


RemoveAllFEA():該函數(shù)將允許從當(dāng)前系統(tǒng)中刪除所有導(dǎo)入的 FEA 數(shù)據(jù)。它將檢查是否為每個表面導(dǎo)入了溫度或形變數(shù)據(jù)集,然后卸載那些已導(dǎo)入的數(shù)據(jù)。


Surface = TheLDE.GetSurfaceAt(i);
StarData=Surface.STARData;
if StarData.Temperatures.FEAData.AreTemperaturesImported
StarData.Temperatures.FEAData.UnloadData()
fprintf('Remove Temperature Data @ surface %d\n',i)
end
if StarData.Deformations.FEAData.AreDeformationsImported
StarData.Deformations.FEAData.UnloadData()
fprintf('Remove Deformation Data @ surface %d\n',i)
end


FEALoad():用于從數(shù)據(jù)文件夾導(dǎo)入和加載變形和溫度數(shù)據(jù)集。必須先卸載先前導(dǎo)入的數(shù)據(jù),然后導(dǎo)入并應(yīng)用新的 FEA 數(shù)據(jù),否則結(jié)果將不會按預(yù)期更新??梢詫?FEA 數(shù)據(jù)集的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為每個表面的全局或局部坐標(biāo)??梢栽跀M合之前進行可選擬合設(shè)置配置,例如在擬合結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)之前移除 RBM,并為熱數(shù)據(jù)設(shè)置 GRIN 步長等。請注意,函數(shù) ImportDeformations()/ImportTemperatures() 不僅導(dǎo)入數(shù)據(jù),還執(zhí)行數(shù)據(jù)擬合,因此應(yīng)在此方法之前配置所有擬合設(shè)置。


if StarData.Deformations.FEAData.AreDeformationsImported
StarData.Deformations.FEAData.UnloadData() ;
end
StarData.Deformations.SetDataIsLocal;
StarData.Deformations.RBMs.Enable;
StarData.Deformations.FEAData.ImportDeformations(DeformationFilename);
StarData.Deformations.Fits.ApplyDeformations();
if StarData.Temperatures.FEAData.AreTemperaturesImported
StarData.Temperatures.FEAData.UnloadData() ;
end
StarData.Temperatures.SetDataIsGlobal;
StarData.Temperatures.Fits.GRINStep=0.2; StarData.Temperatures.FEAData.ImportTemperatures(TemperatureFilename);
StarData.Temperatures.Fits.ApplyTemperatures();


SpotDiagram():使用 ZOS-API 語法示例 22_seq_spot_diagram 中的代碼段在系統(tǒng)像面繪制點列圖。代碼包括以下步驟:


打開批次化光線追跡工具:

raytrace = TheSystem.Tools.OpenBatchRayTrace();


執(zhí)行不考慮偏振的批次化光線追跡,使用歸一化光瞳坐標(biāo)進行定義:

normUnPolData = raytrace.CreateNormUnpol((max_rays + 1) * (max_rays + 1),ZOSAPI.Tools.RayTrace.RaysType.Real,nsur);

normUnPolData.ClearData();


使用 Loop 添加追跡光線數(shù)目:

normUnPolData.AddRay(waveNumber, hx, hy_ary(field), px, py, ZOSAPI.Tools.RayTrace.OPDMode.None);


運行光線追跡工具并開始讀取結(jié)果:

raytrace.RunAndWaitForCompletion();
normUnPolData.StartReadingResults();


使用條件 While Loop,并且讀取光線結(jié)果:

[success, rayNumber, errCode, vigCode, x, y, ~, L, M, N, ~, ~, ~, ~, ~] = normUnPolData.ReadNextResult();


WavefrontMap():用于獲取系統(tǒng)的波前圖數(shù)據(jù)并且繪制對應(yīng)結(jié)果。上述代碼包含以下步驟。


創(chuàng)建新的波前圖,并獲取分析中的設(shè)置選項:

WavefrontMapAnlysis=TheSystem.Analyses.New_WavefrontMap();
WavefrontSettings=WavefrontMapAnlysis.GetSettings();


配置分析中的設(shè)置選項:

WavefrontSettings.Sampling=ZOSAPI.Analysis.SampleSizes.S_256x256;
WavefrontSettings.Field.SetFieldNumber(1);
WavefrontSettings.ShowAs=ZOSAPI.Analysis.ShowAs.FalseColor;
WavefrontSettings.STAREffects= ZOSAPI.Analysis.Settings.STAREffectsOptions.On;


應(yīng)用設(shè)置并獲取分析結(jié)果:

WavefrontMapAnlysis.ApplyAndWaitForCompletion();
WavefrontMap_Results = WavefrontMapAnlysis.GetResults();


對于 2D 結(jié)果,使用 DataGrids 取回數(shù)據(jù)結(jié)果:

analysis_data =WavefrontMap_Results.DataGrids(1);
Nx=analysis_data.Nx;
Ny=analysis_data.Ny;
Z=zeros(Nx,Ny);
for x=1:1:Nx
for y=1:1:Ny
Z(x,y)=analysis_data.Values(x,y);
end
end


SagMap():用于獲取當(dāng)前系統(tǒng)內(nèi)的矢高圖數(shù)據(jù)并繪制對應(yīng)結(jié)果。代碼將執(zhí)行以下步驟。


創(chuàng)建新的矢高圖分析,并獲取分析中的設(shè)置選項:

SagMapAnlysis=TheSystem.Analyses.New_SurfaceSag();
SagSettings=SagMapAnlysis.GetSettings();


配置分析中的設(shè)置選項:

SagSettings.Sampling=ZOSAPI.Analysis.SampleSizes_Pow2Plus1_X.S_257x257;
SagSettings.ShowAs=ZOSAPI.Analysis.ShowAs.FalseColor;
SagSettings.Surface.SetSurfaceNumber(2);


應(yīng)用設(shè)置選項并獲取分析結(jié)果:

SagMapAnlysis.ApplyAndWaitForCompletion();
SagMap_Results = SagMapAnlysis.GetResults();


對于 2D 結(jié)果,使用 DataGrids 取回數(shù)據(jù)結(jié)果:

analysis_data =SagMap_Results.DataGrids(1);
Nx=analysis_data.Nx;
Ny=analysis_data.Ny;
Z=zeros(Nx,Ny);
for x=1:1:Nx
for y=1:1:Ny
Z(x,y)=analysis_data.Values(x,y);
end
end


利用所創(chuàng)建的函數(shù)獲取光學(xué)性能分析結(jié)果


在這個示例中,從 FEA 軟件獲取不同表面在不同時間下的溫度和形變文件。本例中的時間分布包括 10 秒、60 秒、600 秒、1800 秒、3600 秒。

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在主體函數(shù)中,已存在的 FEA 數(shù)據(jù)集將從系統(tǒng)中首先被移除,之后再將對應(yīng)時步的溫度和形變數(shù)據(jù)載入至系統(tǒng)當(dāng)中。我們可以使用 Matlab 將對應(yīng)的點列圖以及波前圖分析結(jié)果進行展示和繪制。

RemoveAllFEA(TheSystem);
[Data,file_num]=ListFiles(Datafolder)
FEALoad(TheSystem,Data);

fig=SagMap(TheSystem,surf_num);
fig=SpotDiagram(TheSystem,[0]);
fig=WavefrontMap(TheSystem,field_num,STARoption);


保存 GIF 圖片


代碼的在后面的一個函數(shù)是把來自每個時間段文件夾的幀分析圖結(jié)合保存為 gif 格式圖形文件。

function SaveGif(figure,outputname,i)
Frame=getframe(figure);
nn=frame2im(Frame);
[nn,cm]=rgb2ind(nn,256);

if i==0
imwrite(nn,cm,outputname,'gif','LoopCount',inf,'DelayTime',1.5);
else
imwrite(nn,cm,outputname,'gif','WriteMode','append','DelayTime',1.5);
end
end


使用 SaveGif 與 For Loop,我們可以獲取連續(xù)的模擬分析結(jié)果。


使用 ZOS-API 代碼


該代碼為交互式代碼,需要確保在 Zemax License Manager 中已經(jīng)安裝 STAR 模塊授權(quán)。


1.打開序列模式鏡頭文件。

2.在 Matlab下點擊交互式擴展(Interactive Extension),生成交互式鏈接模板代碼。


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3.點擊?編程…ZOP-API.NET應(yīng)用…交互式擴展(Programming…ZOS-API.NET Applications…Interactive Extension)

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4.在MATLAB中打開交互式代碼 TransientAnalysis.m,相應(yīng)地調(diào)整下列部分,以自定義您的代碼:


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5.運行此代碼,將生成下列g(shù)if文件。


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通過下面的 outSpot.gif 示例,可以看到點列圖從名義性能在形變和溫度影響下,在 10 秒、60 秒、600 秒、1800 秒和 3600 秒時間間隔的變化情況。



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點擊圖片跳轉(zhuǎn)原文可觀看Gif文件



這里給出了 outWavefront 的示例。這個 Gif 文件顯示了波前圖從名義系統(tǒng)到五個時步的變化情況。


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點擊圖片跳轉(zhuǎn)原文可觀看Gif文件



結(jié)果與分析


當(dāng)把結(jié)構(gòu) FEA 數(shù)據(jù)集和熱 FEA 數(shù)據(jù)集加載到系統(tǒng)中后,我們就可以檢查 FEA 數(shù)據(jù)對系統(tǒng)性能的影響。例如,我們可以看下系統(tǒng)照射 10 秒激光后的情況。正如下列離焦 RMS 光斑半徑曲線所示,我們的名義系統(tǒng)達到了衍射極限。


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我們可以在這個曲線上,添加照射 10 秒激光后只顯示熱梯度效應(yīng)以及同時顯示結(jié)構(gòu)形變和熱梯度的離焦 RMS 光斑半徑曲線,正如您所看到的,10 秒高強度激光光束照射會顯著降低系統(tǒng)性能。RMS 光斑尺寸從幾微米增加至近 300 微米。


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此外,在對照射 10 秒后的系統(tǒng)分析像面上的軸上主光線位置時,我們注意到主光線發(fā)生了顯著偏移。REAR 操作數(shù)返回了軸上主光線的徑向位置。它從名義位置移動了 109 微米。這樣就造成了用于描述成像角度偏差的瞄準(zhǔn)誤差(BSER 操作數(shù))。


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如果我們使用快速聚焦(Quick Focus)工具重新為系統(tǒng)聚焦,像面移動近 4 毫米,而且性能會有所提高?,F(xiàn)在,我們可以看到光斑尺寸縮小,波前差減少,但性能仍然遠未達到衍射極限。不過在刪除大量離焦后,我們現(xiàn)在能在波前圖中觀察到一些由于熱效應(yīng)和結(jié)構(gòu)效應(yīng)導(dǎo)致的更精細結(jié)果。


大功率激光系統(tǒng)的STOP分析5:OpticStudio STAR模塊工作流程


接下來,我們將比較名義系統(tǒng)和系統(tǒng)在 5 個時步(即 10 秒、60 秒、600 秒、1800 秒和3600 秒)的波前差。


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根據(jù)相關(guān)結(jié)果,從名義系統(tǒng)到 10 秒激光照射后的系統(tǒng),我們觀察到 RMS 光斑半徑和 RMS 波前差顯著增加。這種性能下降是激光加熱的熱彈性效應(yīng)和熱光學(xué)效應(yīng)所導(dǎo)致的。隨著時間的推移,熱量可能會在系統(tǒng)上更加均勻地分布,從而導(dǎo)致光學(xué)元件的形狀和折射率梯度變化更加均勻/平滑。在較長的照射時間下,這可能導(dǎo)致光斑尺寸縮小以及 RMS 波前差減少。


此外,STAR 模塊還可提供系統(tǒng)查看器(System Viewer)工具,方便您查看鏡頭體內(nèi)部的折射率梯度分布情況。下面所示的是 5 個時間間隔,即 10 秒、60 秒、600 秒、1800 秒、3600 秒時分別對應(yīng)的折射率梯度分布。


大功率激光系統(tǒng)的STOP分析5:OpticStudio STAR模塊工作流程


在這個系統(tǒng)中,熱致效應(yīng)導(dǎo)致聚焦光斑顯著增大,從而降低系統(tǒng)效率。如果改為使用更高透射率的光學(xué)膜層或修改系統(tǒng)外殼以改善冷卻,這些效應(yīng)可以得到緩解。OpticStudio、OpticsBuilder 和 STAR 實現(xiàn)的工作流程能方便地評估這些設(shè)計增強功能,并通過快速迭代獲得理想解決方案。


結(jié)論


在這篇文章中,我們使用 OpticStudio STAR 模塊演示了結(jié)構(gòu)、熱和光學(xué)性能分析的端到端工作流程。我們從經(jīng)過優(yōu)化的序列模式系統(tǒng)開始,導(dǎo)出到 OpticsBuilder 開展光機設(shè)計,再導(dǎo)入回 OpticStudio 非序列模式,以執(zhí)行光線追跡,并使用體探測器來捕獲由于激光加熱而導(dǎo)致的每個元件上的吸收通量。然后從 OpticStudio 非序列模式導(dǎo)出相關(guān)結(jié)果,共享給 FEA 工程師,以便開展 FEA 分析。在完成 FEA 分析后,我們使用 STAR 模塊把結(jié)構(gòu) FEA 結(jié)果和熱 FEA 結(jié)果導(dǎo)入回 OpticStudio 序列模式,以分析激光加熱導(dǎo)致的性能下降。


面向 OpticStudio 的 STAR 模塊提供的新功能可以將 FEA 結(jié)果直接集成到 OpticStudio 中。這有助于更全面地研究激光加熱引起的熱形變和結(jié)構(gòu)形變所造成的影響。


通過結(jié)合使用 Zemax 工具套件、OpticStudio、OpticsBuilder 和 STAR 模塊,設(shè)計團隊能夠在其光學(xué)和光機設(shè)計工作流程中無縫集成 FEA 數(shù)據(jù)。此外,STAR-API 還可幫助工程師簡化和自動化完成整個流程。


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