高出力レーザーは、レーザー溶断、溶接、ドリルなど、さまざまな用途に広く使われています。光学系によるレーザー光吸収の効果は無視できません。このような光学系の性能は、高出力レーザーからの熱によって劣化します。その原因は、レンズ材料によるバルク吸収か、コーティングによる表面吸収のいずれかです。安定した焦点距離とレーザー ビームのサイズと品質を保証するには、こうした熱の効果をモデル化する必要があります。5 つの記事からなる本シリーズでは、レーザーによる加熱の効果をシミュレートします。レンズ材料の温度上昇による屈折率の変化や、機械的応力や熱弾性効果によって生じる構造的な変位の効果を検討します。 

著者 : Julia Zhang、Hui Chen、Steven La Cava、Chris Normanshire 

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光学機械設計のための準備 

光学設計が完了したら、次の段階は光学系のための機械筐体の構築です。レンズやミラーを取り付けるマウントの設計は、光学系を保護し位置を決めるだけでなく機械的負荷の発生源となります。さらに、マウントは光学系からの熱を放散するヒート シンクとしての役割も果たします。これら 2 つの課題については後ほど検討するとして、ここでは、光学機械系の設計に集中しましょう。このプロセスは、OpticStudio と OpticsBuilder 間の対話によって著しく効率化されます。[OpticsBuilder 準備] (Prepare for OpticsBuilder) ツールは、光学機械エンジニアが CAD ツールで直接開けるフォーマットで光学系をエクスポートします。エクスポートしたファイルには、筐体構築に必要なすべての情報が含まれています。 

筐体が完成したら、設計全体を簡単にエクスポートして、OpticStudio のノンシーケンシャル モードに戻すことができます。OpticStudio のノンシーケンシャル モードには、すべてのオブジェクトをディテクタとして扱う機能があるため、光学系内のあらゆる光学的および機械的表面で吸収される光束を計算できます。レンズの体積内部で吸収される光束も、別のディテクタを設定することで記録できます。レーザー ビームは、光学系内を光束として伝搬し、コンポーネントとのすべての相互作用が記録されます。ディテクタのさまざまな種類と使用方法の詳細は、こちらをご覧ください。 

ZOS-API の機能を使用すれば、作業のこの段階をスクリプトによって自動化できます。ディテクタに保存される光束のデータを取得して、FEA パッケージの入力要件を満たした設定で出力します。光学系の形状と配置も CAD 部品として FEA ツールにエクスポートされます。 

このプロセスは、次の 4 つの段階からなります。 

1. シーケンシャル光学系をノンシーケンシャル モードに変換し、光学機械設計に備えます。 
2. ノンシーケンシャル光学系を OpticsBuilder for Creo その他の CAD プラットフォームにエクスポートしてレンズ マウント、筐体、その他の機械部品を追加します。 
3. 全光学系をエクスポートして、OpticStudio のノンシーケンシャル モードに戻します。光学系に吸収される光束を記録するためにディテクタ (体積) オブジェクトを追加します。光線追跡を実行して、各部品に吸収された光束を記録します。 
4. 有限要素解析 (FEA) のためのデータを用意し、エクスポートします。 

NSC グループへの変換 

添付ファイル Lens-3P_D25.4_2022.zar を開きます。光学系から吸収光束に関する情報を取得して、そのデータを FEA 解析に使用する必要があります。先に進む前に、まず光学系をノンシーケンシャル モードに変換します。それには、[ファイル] (File) → [変換] (Convert) → [NSC グループに変換] (Convert to NSC Group) ツールを使用します。 

変換中、ツールによって自動的に光源とディテクタが追加されます。ミラー面は、軸外しミラー (オブジェクト 4) に変換されます。 

基準オブジェクトの変更 

自動生成されるノンシーケンシャル ファイルは、オブジェクトの位置をグローバル座標で直接定義するのではなく、シーケンシャル光学系のようにオブジェクト同士の相対的な位置関係で定義します。この状態は、ノンシーケンシャル コンポーネント エディタ (NSCE) の [基準オブジェクト] (Ref Object) パラメータで確認できます。ディテクタ (体積) オブジェクトを追加する前に、すべての部品の基準オブジェクトとしてグローバル座標を参照するように変更した方が便利です。 

これまで座標基準として使用していた空オブジェクトは不要になりますが、基準座標の変更後ならば安全に削除できます。 

光学系に含まれるディテクタの設定 

この例では、レーザー ビームのプロファイルをより正確に表す光源 (ガウス) を使用するので、自動生成された光源 (楕円) オブジェクトをこれに置き換えます。光源 (ガウス) オブジェクトに関しては、2 つの固有パラメータ、ビーム サイズと位置があります。コリメートされた光線ビームを生成するには、位置はゼロのままにします。ビーム サイズのパラメータは、放射照度が 1/e^2 になる点のビーム半径で定義します。この例では、光源 (ガウス) に対して、パワー (W) を 800 W、ビーム サイズを 5 mm、描画光線数を 20 本、解析光線数を 1e6 本に設定します。

光学系に含まれるディテクタの設定 

レンズに対する描画解像度とディテクタ特性の設定 

ディテクタ (体積) オブジェクトの追加に加えて、すべての光学部品および光学機械部品について [オブジェクトをディテクタとする] (Object Is A Detector) オプションをオンにします。これによって、これらのオブジェクトのフェイスで吸収される放射照度を記録できるようになります。インコヒーレントな放射照度データを記録するディテクタには、ほとんどの任意形状オブジェクトを使用できます。これには、ポリゴン、STL、矩形体積オブジェクトなどの平坦なフェイスを持つオブジェクトが含まれます。上記のオプションは、[オブジェクト プロパティ] (Object Properties) → [タイプ] (Type) → [ディテクタ] (Detector) のセクションで有効化できます。このオプションをチェックすると、オブジェクトの描画に使用される三角形が、それぞれ単一のピクセルになり、このピクセルの数は、そのオブジェクトの描画解像度で決まります。検出される放射照度は、シェーデッド モデルで視覚的に表示するか、ディテクタ ビューアの [テキスト] (Text) タブにテキストのリストとして表示できます。 

NSCE の 2 ～ 6 行をハイライトして、[オブジェクト プロパティ] (Object Properties) → [タイプ] (Type) を開き、[オブジェクトをディテクタとする] (Object Is A Detector) のオプションにチェックを入れます。[描画] (Draw) タブの [描画解像度] (Drawing Resolution) を [高] (High) に変更します。これによって、このオブジェクトを描画するときに使用されるピクセル数/メッシュ密度が大きくなります。 

光学面のコーティングの定義 

ノンシーケンシャル モードで測定される吸収光束では、コーティングによる面吸収とレンズ材料によるバルク吸収の両方が考慮されます。透過性の部品には反射防止コーティングを施し、ミラーには高反射率のコーティングを施します。この例では、IDEAL <コーティング名> T R TIR の形式で記述される、単純な理想コーティングを使用します。構文に含まれる 3 つの強度係数は、それぞれ透過、反射、全内反射を表します。吸収係数 A はエネルギーを保存するために A = 1.0 - R - T の式によって自動的に計算されます。TIR の値を省略すると、1.0 を指定したものと見なされます。以降の作業で使用するコーティング ファイルに、以下の 2 つの IDEAL コーティングを追加します。[ライブラリ] (Libraries) → [コーティング ツール] (Coating Tools) → [コーティング ファイルを編集] (Edit Coating File) をクリックして編集します。編集したコーティング ファイルを COATING_LASER.DAT として保存します。 

コーティングを適用するには、[オブジェクト プロパティ] (Object Properties) の [コーティング/散乱] (Coat/Scatter) タブを選択します。コーティングは、オブジェクトの個々のフェイスに適用されます。ミラーの前と横のフェイスには HR_LASER コーティングを、透過性の部品 (レンズと窓) の前と後のフェイスには AR_LASER コーティングを指定します。リストに記述された AL_LASER コーティングは、この後、筐体として陽極酸化したアルミニウムの機械部品を追加した時点で、その表面に適用します。 

レンズ材料の透過率データの変更 

この例では、レンズ材料として溶融石英を使用します。吸収率が小さく、高い熱安定性を備えた材料です。OpticStudio は、カタログから得られる材料の内部透過データに基づいて、吸収率をベールの法則に従って計算します。デフォルトの INFRARED カタログに収録された材料 F_SILICA には、波長範囲 0.3 ～ 2.3 um に対して、理想透過の値 1 が記述されています。F_SILICA のバルク吸収を正確にモデル化するために、現実的な透過率データを入力する必要があります。しかし、OpticStudio が提供するデフォルトのカタログ内のデータは変更できません。[保存] (Save) ボタンは、灰色表示となりクリックできません。 

OHARA のウェブサイトで参照できる F_SILICA の実際のバルク吸収データを使用するには、まず上記のカタログを、新しいカスタマイズされたカタログとして、たとえば MYCATALOGAGF のような名前で保存する必要があります。その後、このカスタマイズされたガラス カタログで F_SILICA の透過率データを編集します。 

次に、この新しいカスタマイズされたガラス カタログ MYCATALOGAGF を [システム エクスプローラ] (System Explorer) → [材質カタログ] (Material Catalogs) セクションで読み込む必要があります。 

この時点の光学系のファイル Lens-3P_D25.4_NONSEQ_2022.ZAR は、記事の添付ファイル セクションからダウンロードできます。 

以上の変更によって、光学系を OpticsBuilder にエクスポートする準備が整いました。次の記事でエクスポートします。