设计和优化大功率激光系统的光学元件

本系列作者: Julia Zhang, Hui Chen, Steven La Cava & Chris Normanshire

大功率激光器广泛用于各种领域当中，例如激光切割、焊接、钻孔等应用中。由于镜头材料的体吸收或表面膜层带来的吸收效应，将导致在光学系统中由于激光能量吸收所产生的影响也显而易见，大功率激光器系统带来的激光能量加热会降低此类光学系统的性能。为了确保焦距稳定性和激光光束的尺寸和质量，有必要对这种效应进行建模。

在本系列的 5 篇文章中，我们将对激光加热效应进行仿真，包括由于镜头材料温度升高而引起的折射率变化，以及由机械应力和热弹性效应造成的结构变形。

激光导致的热效应

通常情况下，OpticStudio 将使用热分析（Make Thermal）工具对热效应进行建模。该工具可在不同温度下设置系统的多重结构，以允许分析性能随热变化而引起的变化。但是，该热分析工具有一定的局限性。首先，分析中假设在整个元件上指定的温度是均匀的；其次，分析将仅基于材料的CTE，以线性方式模拟热膨胀和热收缩情况。这是一种非常简化的方法，没有考虑光学元件中的温度梯度分布所导致的性能下降。此外，它也无法精确地仿真光学元件的形状变形，相反结构变形将简单地近似为由于加热而导致的曲率半径均匀平滑。

OpticStudio 的 STAR 模块则可以完全解决这些局限性问题，它可提供一种将 FEA 分析数据结果直接集成到OpticStudio 中进行拟合的新功能，具有无与伦比的易用性和准确性。这有助于更全面地研究激光加热效应引起的热变形和结构变形所带来的影响。

结合 Ansys Zemax 光学工具套件，设计团队首次能够通过将 FEA 数据无缝集成到其光学和光机设计工作流程中来了解以下系统情况：

设计和优化大功率激光系统的光学元件

在 CAD 平台中轻松共享光学设计并分析光机封装的影响

与 FEA 软件集成，以详细分析评估结构和热效应对光学性能的影响

分析光学和机械元件中的吸收功率

设置光学系统

光学系统必须以高度可控的方式将激光光束传送到工件上，而 OpticStudio 提供了设计系统所需的所有工具，以实现ZUI佳性能。在本示例中，聚焦镜头是 F-Theta 镜头，其可确保在扫描期间的不同位置处始终保持光束紧密聚焦，从而实现高激光功率。它包含一组三个聚焦镜头和一个放置在图像平面前方的保护窗。

下图所示的系统在业界普遍使用。它包含两个扫描镜、一组三个聚焦镜头和一个放置在图像平面前方的保护窗。两个反射镜可沿不同的方向旋转，以确保激光能够扫描工作平面上的不同位置。

在该示例中，我们将使用类似的系统，但仅包含一个反射镜。聚焦镜头是 F-Theta 镜头。它可确保在扫描期间光束在图像平面上的不同位置保持紧密聚焦，因而实现高激光功率。F-Theta 镜头设计具有较小的 f-θ 畸变，因此当激光以恒定速率扫描时，系统会在相对较大的像面上产生线性位移。

该系统ZUI初设计的波长为 1064nm，等效焦距为 100mm，扫描角度为 2.5 度。在评价函数编辑器（Merit Function Editor）中，我们为玻璃和空气厚度添加适当的边界约束，并将 “光瞳积分” 设置为具有 4 环数和 6 臂的 “高斯求积”。您可以在文章附件中找到这个初始文件 “starting point.zar”。

然后，我们执行全局优化，以实现具有合理光斑尺寸的系统。从 RMS 与视场分析中，我们看到系统的性能现在达到衍射极限。这只是 OpticStudio 全局搜索算法所发现的众多可能的设计备选方案一。

准备进一步分析

现在对ZUI终优化的系统稍作调整，为接下来的设计和分析做准备。我们将只在轴上情况下使用该系统，所以除了 0 度之外的所有视场都被删除了。在镜头前 40mm 处添加一个 X 倾斜角为 -90 度的反射镜，并设置为系统光阑。将入瞳直径减小到 18mm，并为所有光学元件分配 12.7mm 的固定半直径（直径25.4mm）。

打开表面 #4 的 “表面属性……绘图（Surface Properties…Draw）” 选项卡，将 “厚度” 设置为 2.65mm。此设置不仅会影响序列模式下布局窗口中的绘图，还会在将系统转换为非序列模式时定义反射镜的厚度。

如果不考虑镜头中的温度变化，系统的聚焦在一定焦深范围内是稳定的。这可以从 RMS 与聚焦的分析中看出，如下图所示：

序列设计现在已经完成。您可以在文章附件中找到此文件 “Lens-3P_D25.4_2022.zar”，以供您参考。

结论

我们已经设置了序列模式光学系统，并优化了其光学性能。下一步是准备我们的系统，以导出到 CAD 软件中进行机械封装设计。

审核编辑：汤梓红