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。

FEA分析准备

在本文中，我们将在OpticStudio中打开完整的光机系统，准备记录光束穿过镜头和反射镜时被吸收的激光功率。随后，我们使用可以导入到FEA软件的格式来导出此数据。

体探测器物体

为了获得镜头中吸收的通量数据，我们将在系统中使用体探测器物体。

当使用体探测器时，我们可以充分利用非序列模式中的嵌套规则，计算镜头等物体内部吸收的通量。如果两个非序列模式物体在空间里重叠，则重叠区域中的光线行为由嵌套规则进行确定。嵌套规则规定：如果光线在空间里的同一位置上照射到一个以上的物体，NSC编辑器中列出的最后一个物体将用于确定该位置上用于与光线相互作用的表面属性或体属性。

添加体探测器物体

为了获得镜头吸收的通量，我们将为每个元件添加一个体探测器物体。根据嵌套规则，在NSCE的每个镜头前面插入一个略大于相应镜头元件的体探测器。#X Pixel、#Y Pixel和#Z Pixel等参数可用于指定每个体探测器物体中的像元总数量。此时，我们应该与FEA工程师进行沟通如何设置该像元数量，这样有助于确保无需使用过多像元数量的情况下为FEA分析提供足够高的分辨率设置，以避免进行过多数量的光线追迹。在本例中，我们决定使用适中的像元采样100x100x100。

为机械元件应用膜层

现在，我们为所有机械元件（NSCE中的14-26号CAD物体）应用反射、吸收和散射属性。膜层AL_LASER可用于指定反射和吸收特性，散射则可以通过使用 散射分数=1的朗伯散射模型进行定义。

物体属性设置

在所有导入的CAD元件仍处于选中状态的情况下，我们打开物体属性……类型（Object Properties…Type）并勾选物体作为探测器（‘Object is A Detector’）选项。这样就能将这些物体设置为探测器（用于渲染CAD物体的三角形网格被视为像素网格记录数据），从而能够记录物体表面上吸收的通量。

对于被用作探测器的CAD元件而言，被用作像素探测面的默认数值可能不足以提供准确记录数据所需的分辨率。通过修改物体属性……CAD……最大边长（Object Properties…CAD…Maximum edge length）参数为默认值0，我们可以缩小探测面/像素尺寸（并增加像素数量）。

在本例中，我们将每个CAD元件的最大边长值设置为0.8mm。

系统选项：非序列模式设置

根据最小相对光线强度（Minimum Relative Ray Intensity）的默认设置，从CAD元件的膜层表面反射的光线在其功率降低至初始功率的0.1%（1e-3）以下时被终止。在我们对这个大功率激光器的分析中，即使功率阈值降低至初始功率相对较小的部分，每条光线所携带的能量仍然会导致系统加热，必须予以考虑。为避免这个阈值所导致的能量损耗，我们将最小相对光线强度（Minimum Relative Ray Intensity）设置为1.0000E-007。

光线追迹和取回吸收数据

在使用如下所示设置运行光线追迹后，吸收的通量数据将存储在探测器中，并且可通过ZOS-API进行使用和取回。

任何物体作为探测器（‘Object is  Detector’）的表面上辐照度都可以在实体（Shaded）模型中直观地显示。

而且体探测器内部的吸收通量可以在探测器查看器中进行查看。

ZOS-API 作为一种有助于自动化运行数据导出流程的强大工具。在下一部分中，我们将演示如何使用ZOS-API脚本来取回探测器上存储的通量数据，并对输出进行配置，以符合您FEA软件的输入要求。如果您不熟悉ZOS-API，请参阅ZOS-API – Zemax入门了解完整指南和技巧提示，以充分发挥其功能优势。

示例中所需的数据格式

在OpticStudio中，不同类型的探测器能够存储不同类型的数据。下表总结了我们从FEA分析所使用的每种探测器中抽取的数据类型。

本例使用的FEA软件是Ansys Mechanical。它能够导入我们的吸收通量数据，并将其用作为热仿真中的外部热源。导入数据所需的格式如下：

X  Y  Z  AbsorbedData

X、Y、Z是每个像素中心的全局坐标，AbsorbedData是上面列出的数据类型值。

使用ZOS-API导出吸收数据

正确的做法是在整个STOP分析中使用统一的全局坐标系。如果要以全局坐标导出数据，必须进行适当的坐标转换。

为了自动运行这个流程，我们已经创建了用于取回、格式排版和导出数据的Python脚本。该脚本可执行下列主要操作：

• 确定坐标系中每个物体的旋转矩阵

• 为每个像素计算局部坐标并取回吸收的通量值

• 将局部坐标转换成全局坐标

• 将结果保存为.csv文件

如何使用Python代码

在OpticStudio中，我们以交互式扩展（Interactive Extension）的方式运行该代码，具体如下：

1. 首先打开非序列模式镜头文件，运行光线追迹，勾选使用偏振（‘Use Polarization’）。
2. 点击编程……交互式扩展（Click Programming…Interactive Extension），然后在Python IDE中运行ExportAbsorbedFlux.py代码
3. 数据将保存为代码中指定的文件夹下的txt文件。在运行代码的过程中将显示数据追加的状态：

我们已经成功仿真了激光光束穿过光学系统时的吸收情况，并生成了吸收通量数据的文件。该数据与完整光机系统的模型相结合，可以为FEA工具中的结构分析和热分析提供输入。在下一篇文章中，我们将演示如何使用STAR模块获得结构分析和热分析的输出，并导入到OpticStudio中。

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作者：

Julia Zhang, Senior Application Engineer, Ansys
Hui Chen, Senior Application Engineer, Ansys
Steven La Cava, Senior Application Engineer, Ansys
Chris Normanshire, Lead Application Engineer, Ansys