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大功率激光系统的STOP分析4:使用OpticStudio仿真激光吸收

发布日期:
2023-01-09

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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。打开附件中的 ‘system_NSC_2022.zar’ 文件。


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。


大功率激光系统的STOP分析4:使用OpticStudio仿真激光吸收

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。


大功率激光系统的STOP分析4:使用OpticStudio仿真激光吸收




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。


大功率激光系统的STOP分析4:使用OpticStudio仿真激光吸收



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(https://www.zemax.com/blogs/free-tutorials/getting-started-with-zos-api)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。


探测器类型

数据类型

辐射单位

能量单位

矩形探测器

辐射照度

瓦/平方米

焦耳/平方米

瓦/平方厘米

焦耳/平方厘米

瓦/平方毫米

焦耳/平方毫米

瓦/平方英尺

焦耳/平方英尺

瓦/平方英寸

焦耳/平方英寸

辐射强度

瓦/球面度

焦耳/球面度

辉度

瓦/球面度-平方米

焦耳/球面度-平方米

体探测器

入射通量

吸收通量/体积

吸收通量

焦耳

吸收通量/体积

瓦/立方米

焦耳/立方米

瓦/立方厘米

焦耳/立方厘米

瓦/立方毫米

焦耳/立方毫米

瓦/立方英尺

焦耳/立方英尺

瓦/立方英寸

焦耳/立方英寸

物体作为探测器

入射通量

瓦/平方米

焦耳/平方米

瓦/平方厘米

焦耳/平方厘米

瓦/平方毫米

焦耳/平方毫米

瓦/平方英尺

焦耳/平方英尺

吸收通量

瓦/平方英寸

焦耳/平方英寸


下方表格中总结了可从各种探测器中获取并用于 FEA 分析的数据类型:


探测器类型

像素形状

数据类型

辐射学
单位

ZOS-API 语句

矩形探测器

矩形

辐照度

瓦/
平方厘米

bool

GetDetectorData (int ObjectNumber, int pixel, int Data(=2), out double Value)

体探测器

矩形体积

吸收通量/体积

瓦/
立方厘米

bool

GetDetectorData (int ObjectNumber, int pixel, int Data(=2), out double Value)

物体作为探测器

三角形

吸收通量

瓦/
平方厘米

double

AbsorbedIrradiance [get]


本例中使用的 FEA 软件是 Ansys Mechanical,它可以将吸收通量数据作为外部热源导入,以用于热模拟。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,而 AbsorbedData 是上面列出的数据类型的值。


请注意,当从 “探测器查看器” 窗口检查吸收通量数据时,针对 “物体作为探测器” 选项数据尽快在 “文本” 选项卡中进行查看。“文本” 选项卡将显示每个三角形像素的 “通量” 和 “辐照度” 值的文本列表。X、Y 和 Z 值是每个像素中心的局部坐标。在 STOP 分析过程中,适合使用一个统一的全局坐标系。如果要在全局坐标中导出数据,则需要进行适当的坐标转换。


使用 ZOS-API 导出吸收数据


我们创建了自动运行这个流程,用于取回、格式排版和导出数据的Python脚本,如文章附件 ‘ExportAbsorbedFlux.py’。以下章节内容将解释该部分代码的具体意义。


计算旋转矩阵

首先,我们需要确定系统中每个物体的旋转矩阵。如果未勾选 “物体属性…类型…使用全局 XYZ 旋转顺序” 选项,则使用以下公式计算物体的旋转矩阵,其中 A、B 和 C 是 NSCE 中列出的倾斜 X、Y、Z 角度。


大功率激光系统的STOP分析4:使用OpticStudio仿真激光吸收

大功率激光系统的STOP分析4:使用OpticStudio仿真激光吸收


相反,如果勾选了 “使用全局 XYZ 旋转顺序” 选项,则物体的旋转矩阵取决于:


大功率激光系统的STOP分析4:使用OpticStudio仿真激光吸收


以上计算将在 rotation_matrix 函数中得到定义:

大功率激光系统的STOP分析4:使用OpticStudio仿真激光吸收


将局部坐标转换为全局坐标

将物体局部坐标转换为全局坐标的公式形式可以表达为如下形式:

大功率激光系统的STOP分析4:使用OpticStudio仿真激光吸收

其中,g 下标表示全局坐标,o 表示偏移,l 表示局部物体坐标。R11、R12…R33 是物体旋转矩阵 R 的分量。


以上计算将在 convert_to_global 函数中得到定义:


大功率激光系统的STOP分析4:使用OpticStudio仿真激光吸收



计算局部坐标并取回吸收通量数值

对于 “物体作为探测器” 选项而言:

局部坐标将通过以下代码的各鳞甲像素循环形式进行计算:

detector.CurrentFace = j


position_1 = detector.GetVertex(0, 0.0, 0.0, 0.0)
position_2 = detector.GetVertex(1, 0.0, 0.0, 0.0)
position_3 = detector.GetVertex(2, 0.0, 0.0, 0.0)

x_position = (position_1[1] + position_2[1] + position_3[1])/3
y_position = (position_1[2] + position_2[2] + position_3[2])/3
z_position = (position_1[3] + position_2[3] + position_3[3])/3value = detector.AbsorbedIrradiance


position_1、position_2、position_3 代表各三角形像素的三个顶点。


bool GetVertex (int vertexNumber, out double X, out double Y, out double Z)


GetVertex 方法将用于取回指定顶点的 X、Y、Z 坐标值。之后,该三角形中心的坐标值将得到计算。


对于矩形探测器和体探测器而言,局部坐标将通过以下代码中的矩形像素/矩形体积像素循环中得到计算。

# Detector Rectanglelocal_x = ((j % pixelsX) - ((pixelsX - 1) / 2)) * (widthX / pixelsX)
local_y = (((j // pixelsX) % pixelsX) - ((pixelsY - 1) / 2)) * (widthY / pixelsY)
local_z = 0.0

value = TheNCE.GetDetectorData(i + 1, j + 1, 2, 0.0)[1]

# Detector Volumelocal_x = ((j % voxelsX) - ((voxelsX - 1) / 2)) * (widthX / voxelsX)
local_y = (((j // voxelsX) % voxelsY) - ((voxelsY - 1) / 2)) * (widthY / voxelsY)
local_z = ((j // (voxelsX * voxelsY)) - ((voxelsZ - 1) / 2)) * (widthZ / voxelsZ)

value = TheNCE.GetDetectorData(i + 1, j + 1, 2, 0.0)[1]


对吸收的数据进行逐像素数据取回,其中 i 表示物体序号的循环,j 表示像素序号的循环。参考的本地坐标系位于该物体的中心,在决定如何循环并依据从像素到像素顺序获取数据时,应注意探测器的像素编号。对于每种探测器类型,可以在 OpticStudio 帮助文件条目中查看探测器的像素编号注释。


将局部坐标转换为全局坐标并获取结果

将提前创建空的数据阵列,例如 ‘detectorData’ 将用于存放局部坐标以及探测器数据,‘global_detectorData’ 将用于存放全局坐标以及探测器数据:

detectorData = []
global_detectorData = []


局部数据将作为各探测器像素循环计算的附加项:

detectorData.append([local_x, local_y, local_z, float(value)])


***终,各探测器具有局部坐标的阵列将转换为具有全局坐标的数据阵列:

detectorData.append([local_x, local_y, local_z, float(value)])


如何使用 Python 代码

该代码将结合 OpticStudio 的交互扩展形式 (Interactive Extension) 运行。

  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。


大功率激光系统的STOP分析4:使用OpticStudio仿真激光吸收

大功率激光系统的STOP分析4:使用OpticStudio仿真激光吸收

  1. 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附加数据的状态:


大功率激光系统的STOP分析4:使用OpticStudio仿真激光吸收

大功率激光系统的STOP分析4:使用OpticStudio仿真激光吸收



结论


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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