設(shè)計(jì)和優(yōu)化大功率激光系統(tǒng)的光學(xué)元件

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(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(lái)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(jiàn)，大功率激光器系統(tǒng)帶來(lái)的激光能量加熱會(huì)降低此類(lèi)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(duì)這種效應(yīng)進(jìn)行建模。

在本系列的 5 篇文章中，我們將對(duì)激光加熱效應(yīng)進(jìn)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(jī)械應(yīng)力和熱彈性效應(yīng)造成的結(jié)構(gòu)變形。

激光導(dǎo)致的熱效應(yīng)

通常情況下，OpticStudio 將使用熱分析（Make Thermal）工具對(duì)熱效應(yīng)進(jìn)行建模。該工具可在不同溫度下設(shè)置系統(tǒng)的多重結(jié)構(gòu)，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(shè)在整個(gè)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(jiǎn)化的方法，沒(méi)有考慮光學(xué)元件中的溫度梯度分布所導(dǎo)致的性能下降。此外，它也無(wú)法精確地仿真光學(xué)元件的形狀變形，相反結(jié)構(gòu)變形將簡(jiǎn)單地近似為由于加熱而導(dǎo)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(wèn)題，它可提供一種將 FEA 分析數(shù)據(jù)結(jié)果直接集成到OpticStudio 中進(jìn)行擬合的新功能，具有無(wú)與倫比的易用性和準(zhǔn)確性。這有助于更全面地研究激光加熱效應(yīng)引起的熱變形和結(jié)構(gòu)變形所帶來(lái)的影響。

結(jié)合 Ansys Zemax 光學(xué)工具套件，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)首次能夠通過(guò)將 FEA 數(shù)據(jù)無(wú)縫集成到其光學(xué)和光機(jī)設(shè)計(jì)工作流程中來(lái)了解以下系統(tǒng)情況：

設(shè)計(jì)和優(yōu)化大功率激光系統(tǒng)的光學(xué)元件

在 CAD 平臺(tái)中輕松共享光學(xué)設(shè)計(jì)并分析光機(jī)封裝的影響

與 FEA 軟件集成，以詳細(xì)分析評(píng)估結(jié)構(gòu)和熱效應(yīng)對(duì)光學(xué)性能的影響

分析光學(xué)和機(jī)械元件中的吸收功率

設(shè)置光學(xué)系統(tǒng)

光學(xué)系統(tǒng)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(shè)計(jì)系統(tǒng)所需的所有工具，以實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)高激光功率。它包含一組三個(gè)聚焦鏡頭和一個(gè)放置在圖像平面前方的保護(hù)窗。

下圖所示的系統(tǒng)在業(yè)界普遍使用。它包含兩個(gè)掃描鏡、一組三個(gè)聚焦鏡頭和一個(gè)放置在圖像平面前方的保護(hù)窗。兩個(gè)反射鏡可沿不同的方向旋轉(zhuǎn)，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(lèi)似的系統(tǒng)，但僅包含一個(gè)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(shí)現(xiàn)高激光功率。F-Theta 鏡頭設(shè)計(jì)具有較小的 f-θ 畸變，因此當(dāng)激光以恒定速率掃描時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在相對(duì)較大的像面上產(chǎn)生線性位移。

該系統(tǒng)ZUI初設(shè)計(jì)的波長(zhǎng)為 1064nm，等效焦距為 100mm，掃描角度為 2.5 度。在評(píng)價(jià)函數(shù)編輯器（Merit Function Editor）中，我們?yōu)椴ＡШ涂諝夂穸忍砑舆m當(dāng)?shù)倪吔缂s束，并將 “光瞳積分” 設(shè)置為具有 4 環(huán)數(shù)和 6 臂的 “高斯求積”。您可以在文章附件中找到這個(gè)初始文件 “starting point.zar”。

然后，我們執(zhí)行全局優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)具有合理光斑尺寸的系統(tǒng)。從 RMS 與視場(chǎng)分析中，我們看到系統(tǒng)的性能現(xiàn)在達(dá)到衍射極限。這只是 OpticStudio 全局搜索算法所發(fā)現(xiàn)的眾多可能的設(shè)計(jì)備選方案一。

準(zhǔn)備進(jìn)一步分析

現(xiàn)在對(duì)ZUI終優(yōu)化的系統(tǒng)稍作調(diào)整，為接下來(lái)的設(shè)計(jì)和分析做準(zhǔn)備。我們將只在軸上情況下使用該系統(tǒng)，所以除了 0 度之外的所有視場(chǎng)都被刪除了。在鏡頭前 40mm 處添加一個(gè) X 傾斜角為 -90 度的反射鏡，并設(shè)置為系統(tǒng)光闌。將入瞳直徑減小到 18mm，并為所有光學(xué)元件分配 12.7mm 的固定半直徑（直徑25.4mm）。

打開(kāi)表面 #4 的“表面屬性……繪圖（Surface Properties…Draw）”選項(xiàng)卡，將 “厚度” 設(shè)置為 2.65mm。此設(shè)置不僅會(huì)影響序列模式下布局窗口中的繪圖，還會(huì)在將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為非序列模式時(shí)定義反射鏡的厚度。

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

序列設(shè)計(jì)現(xiàn)在已經(jīng)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(jié)論

我們已經(jīng)設(shè)置了序列模式光學(xué)系統(tǒng)，并優(yōu)化了其光學(xué)性能。下一步是準(zhǔn)備我們的系統(tǒng)，以導(dǎo)出到 CAD 軟件中進(jìn)行機(jī)械封裝設(shè)計(jì)。

審核編輯：湯梓紅