大功率激光器廣泛用于各種領域當中，例如激光切割、焊接、鉆孔等應用中。由于鏡頭材料的體吸收或表面膜層帶來的吸收效應，將導致在光學系統(tǒng)中由于激光能量吸收所產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量，有必要對這種效應進行建模。在本系列的 5 篇文章中，我們將對激光加熱效應進行仿真，包括由于鏡頭材料溫度升高而引起的折射率變化，以及由機械應力和熱彈性效應造成的結構變形。
一、光機械設計與分析
現(xiàn)在光學元件已經設計完成，我們需要創(chuàng)建機械結構，以安裝和放置光學組件。有多個選項可用于準備機械元件并導回 OpticStudio 以開展進一步分析。
準備機械元件
使用 OpticsBuilder for Creo，用戶不僅能創(chuàng)建所需的機械元件，還能分析其對穿過系統(tǒng)的光線的影響。無需離開 CAD 環(huán)境，用戶即可查看特定的目標光線路徑，添加光源和探測器。然后可以方便地把整個系統(tǒng)傳輸回 OpticStudio。
或者，用戶可將光學組件（例如STEP文件）導入到另一個CAD軟件包，設計光學組件周圍的機械組件，但這樣做無法獲得OpticsBuilder提供的簡單數據傳輸和設計洞察。
導入至 OpticStudio
動態(tài)CAD鏈接。使用 OpticStudio Premium 支持的任何 CAD 軟件包，用戶都可以把機械元件導入為具有可編輯底層草圖參數的原生 CAD 元件。
使用標準 CAD 格式，如 STEP 或 IGES。如果 OpticStudio 不支持您的 CAD 平臺，那么 STEP 文件和 IGES 文件是良好的替代方案。大部分 CAD 平臺都能生成和導入這些文件。但這些文件不是參數化文件，而且底層草圖元素不可編輯。
目前為止，OpticsBuilder 與動態(tài) CAD 鏈接的組合具有較理想的功能，也是我們在這里演示的選項。請注意，STOP 工作流程（參見本系列的其它文章）對上面介紹的任何一種其它選項都適用，只是速度和效率有所不同。
二、將系統(tǒng)裝換至 OpticsBuilder
在OpticStudio中打開 ‘Lens-3P_D25.4_NONSEQ.ZAR’ 文件并點擊文件……為OpticsBuilder做準備（File…Prepare for OpticsBuilder）。
為了讓光學規(guī)格變得可編輯，我們不勾選 ‘只讀（Read only?）’ 選項。然后，我們?yōu)楣獍叱叽?、像面污染和光束遮擋等指標設置標準，并點擊?準備（Prepare）。這將生成一個 .ZBD 文件，可用作在 OpticStudio 和 OpticsBuilder 之間交換數據的工具。
接下來，打開已經安裝了 OpticsBuilder 的 Creo。
從 OpticsBuilder 選項卡中，我們可以選擇?導入ZBD文件（Import ZBD file），選擇要導入的文件，然后生成參考幾何結構。這樣 CAD 元件就能與光學組件匹配。
在裝配體窗口的 OpticsBuilder 表格里，右鍵點擊光學元件，以顯示每個元件的規(guī)格數據。機械工程師可以在這里查看每個光學元件的規(guī)格參數（曲率、半直徑等）。他們需要這些信息來構建封裝系統(tǒng)的機械元件。注意：如果不使用 OpticsBuilder，這些信息需要以單獨的文件進行共享，或者機械工程師需要從 STEP 文件中提取有限的可用信息。
三、創(chuàng)建鏡頭套筒
接下來，我們?yōu)?CAD 元件創(chuàng)建草圖，做法和任何其它項目一樣，在草圖里定義參數，以便在元件之間創(chuàng)建縮放的關系。
這些草圖可使用旋轉（revolve）、擠壓（extrude）等工具創(chuàng)建實體。下面的例子是圍繞中心軸旋轉的一個草圖。
對每個元件重復開展這個流程。然后，我們可以重新打開從 ZBD 文件創(chuàng)建的裝配體文件，插入創(chuàng)建的元件，將它們與光學元件相互配置。
在 OpticsBuilder 示例文件夾中可以找到完成裝配體：
“\Documents\Zemax\Samples\OpticsBuilderCreo\Laser Induced Thermal Lensing Effect”。
四、OpticsBuilder 分析
使用 OpticsBuilder，機械工程師能夠在 CAD 環(huán)境中運行光線追跡，其包含了光學元件與 CAD 元件之間的相互作用。此外，還可以根據顏色、根據不同標準來過濾光線，以便發(fā)現(xiàn)問題。在下面的例子中，藍色光線穿過系統(tǒng)，而紅色光線正在被 CAD 元件或光學元件遮擋。
驗證光機系統(tǒng)行為的另一重要步驟是使用關鍵光學指標檢查性能。運行仿真后，在顯示的簡潔結果面板上能夠查看這些指標。根據滿足或違反 Prepare for OpticsBuilder 工具中設定的標準，將顯示綠色對鉤標記或紅色警告提示。這樣一來，如果系統(tǒng)存在任何重大問題，機械工程師就能迅速發(fā)現(xiàn)。OpticsBuilder 用戶還能獲得的其它好處，即無需返回 OpticStudio，就能夠在 CAD 系統(tǒng)中查看探測器并放置新的光源和探測器檢驗系統(tǒng)。這些工具有助于機械工程師了解其機械設計對光學系統(tǒng)的影響。這樣可減少給光學工程師分享整體光機械系統(tǒng)設計的迭代次數。
在上圖中，從探測器查看器（The Detector Viewer）面板上可以清楚地看到，無論有（右圖）還是沒有（左圖）CAD 元件，光斑尺寸保持不變。報告的其它數據還包括 RMS 光斑尺寸、到達探測器的總光線數、探測器平面上的峰值輻照度和總功率。在這個例子中，我們發(fā)射了 10,000 條光線，但只有 9,998 條光線到達探測器平面。
在進一步查看這些光線后，光線似乎在光學元件（而不是在CAD組件）邊緣被遮擋，如下圖所示?？梢酝ㄟ^多種方法來解決這個問題。機械工程師可以移動光學元件（如果在導出時關閉 “只讀（read only）”選項，元件可支持編輯功能）?；蛘咚麄兛梢园盐募l(fā)送給光學工程師，在 OpticStudio 中更詳細地查看這個問題。其中的一個選項是結合前兩種方法，機械工程師進行修改并繼續(xù)設計，然后把文件發(fā)送給光學工程師查看。
在 OpticsBuilder 工具欄的設置（Settings）選項卡上增加被追跡的光線數量，以便更深入地了解這個系統(tǒng)。
將分析光線的數量增加到 1,000 萬條，并將顯示光線的數量調整到50條，可以發(fā)現(xiàn)鏡面的尺寸相對于輸入光束似乎有點偏小。隨后，光學工程師可以在 OpticStudio 中將其與文件進行比較。
在序列模式下快速查看原始文件，可以發(fā)現(xiàn)某些光線錯過了反射鏡表面。請注意：在序列模式下只追跡預期路徑。如果一條光線在預期路徑上失效，光線將被遮擋，不會繼續(xù)與系統(tǒng)中的其它元件交互，如下圖所示。在非序列模式下，光線將繼續(xù)延伸。這是因為 OpticsBuilder 使用非序列光線追跡引擎，所以在 OpticsBuilder 中，雖然該光線被反射鏡邊緣遮擋，但依然與機械元件交互。
這個問題在模型的后面的修訂版中得到了解決，光束和反射鏡可以更充分地匹配。這個例子說明了如何使用正確的工作流程來改進設計并及時發(fā)現(xiàn)和糾正潛在缺陷。值得注意的是，許多初始設計都是在序列模式下完成的，盡管序列模式是一種強大的設計與分析工具，但它只能對預期的光線路徑進行建模。非序列模式可以對更全面的場景進行建模，包括預期路徑和非預期路徑。由于 OpticsBuilder 文件經過序列模式到非序列模式的轉換，然后在非序列模式下開展光線追跡，因此在流程的這個階段能夠發(fā)現(xiàn)可能被其它方式所忽視的問題。如果有必要開展更深入的分析，可以把文件發(fā)送回 OpticStudio 的非序列模式，以進一步檢查雜散光、鬼像分析等。這可以通過 ZBD 文件格式來實現(xiàn)，它相當于 OpticStudio 和 OpticsBuilder 之間的雙向通道。
五、訪問與修改光學屬性
除了光學元件幾何參數（曲率半徑、半直徑），材料和膜層等其它光學屬性也可以自動地從 OpticStudio 傳輸到 OpticsBuilder。此外，這些光學屬性也能應用到 CAD 環(huán)境中新創(chuàng)建的機械元件。
如果要應用新的表面屬性，我們首先從 OpticsBuilder 元件選項卡選擇 CAD 元件，然后點擊 OpticsBuilder 工具欄上的設置……應用表面屬性（Setup…Apply Surface Properties）。
在元件摘要（Component Summary）中，有一系列下拉菜單，每個菜單與 CAD 元件的一個面相對應。為每個面選擇所需的表面屬性。此外，如果要向這個列表添加表面屬性，可以從 OpticStudio 系統(tǒng)文件夾中復制貴公司的光學工程師使用的項目，或下載廠商專用的文件。
其它選項包括向光學元件添加膜層配置文件或散射配置文件。該操作可在 CAD 環(huán)境中的 OpticsBuilder 內部方便地完成，也可發(fā)送給光學工程師，以便其在 OpticStudio 中執(zhí)行任務。
從 OpticsBuilder 導出有兩種選項。一種是保存為 STEP/IGES 文件，另一種是保存為原生 CAD 元件，在本例中是 Creo 元件。如果您使用的是 OpticStudio Premium，可以結合使用動態(tài) CAD 鏈接與 OpticsBuilder。這樣光學工程師就能控制 OpticStudio 內部 CAD 元件的底層草圖參數。另一種選項是使用 STEP/IGES 文件，它將以 STEP/IGES 元件形式導出所有機械元件，但其幾何結構無法在 OpticStudio 中進行編輯。值得注意的是，在兩種情況下，傳輸回的所有光學組件都是完全可編輯的原生 OpticStudio 部件，而且所有物體的膜層、材料和散射數據都將被保留。
此階段的示例文件可以在文章附件中找到：‘system_NSC_2022.zar’。
六、結論
完成光學系統(tǒng)和光機系統(tǒng)的初始設計后，我們可以進入工作流程的下一階段。在下一篇文章中，我們將回到 OpticStudio，并介紹如何設置非序列系統(tǒng)，以記錄所有光學元件和機械元件的吸收激光功率。