Ansys Zemax | 大功率激光系统的 STOP 分析（五）

大功率激光技术广泛应用于各种高效率的工业过程，如激光切割、焊接、钻孔、以及原料改性。然而，由于激光能量可能会在光学系统中被聚焦或散射而产生局部的磁热效应，这不仅会显著影响系统的性能，还可能导致元件材料性能的退化。本系列文章聚焦于大功率激光系统中的激光加热效应及其对光学系统的直接影响，提出了专业的分析与仿真策略。

在五篇系列文章中，我们专注于如何模拟和量化这种激光加热效应。针对系统内部激光能量引起的材料温度升高，我们着重分析了如何通过模型预测由于镜头材料温度变化所导致的折射率变化，以及由于机械应力和热弹性效应产生的结构形状变化。本文是系列的最后一部分，将深入讲解如何使用ANSYS中的STAR模块和OpticStudio软件，进行系统级的仿真，从而实现大功率激光系统性能评估。

使用 STAR 模块分析 STOP 效应

STAR 模块是ANSYS软件中的一个高级分析工具，允许用户导入有限元分析（FEA）结果，进而与光学设计软件无缝集成。此过程通常涉及从外部 FEA 软件（如 Ansys Mechanical）输出的结构和热分析数据。具体操作如下：

1. 选择与导入: 首先，选择要分析的序列模式光学系统模型（如本文示例中的 ‘Lens3P_D25.4_2022.zar’），并导入来自FEA工具的结构和热分析数据。

2. 数据匹配与验证: 在 STAR 模块中，数据集将根据表面编号进行匹配与验证，确保FEA信息可以准确地加载至相应光学元件的表面。




3. 拟合数据: 利用 STAR 模块提供的拟合工具，确保FEA数据（包括结构变形与热分布）能够无缝融合进OpticStudio模型。调整拟合设置，如基体运动（RBM）的移除或执行特定的GRIN步长设置，以优化拟合结果。

与 OPTICSTUDIO 集成

一旦STAR模块中的数据成功拟合至OpticStudio，就能够执行全面的光学性能分析，包括但不限于波前分析、点列图分析、以及矢高图分析。

波前图: 通过ZOSAPI进行波前图分析，查看在模拟条件下的光路偏移和质量。该工具提供了直观的视觉化接口，便于用户理解光学系统的动态性能。

点列图: 通过类 'SpotDiagram' 的编程方法，生成点列图以展示不同时间点下光束尺寸的变化，揭示激光加热对光束传播的影响。

矢高图: 利用类似 'SagMap' 的模块，确认镜片和透镜在加热过程中的形变情况。矢高图有助于评估激光效应对焦面距离的影响。

动态多物理场分析

借助Ansys Mechanical的ACT扩展与STARAPI，自动化过程得以实现，使得用户能够高效地在多个时间点上执行系统分析。这种多物理场分析（结构变形、热效应以及光学特性变化）不仅仅限于瞬态分析，还可以应用于节省时间的大规模动态仿真，这在大功率激光系统设计中的应用尤为关键。

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