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北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 畢業(yè)設計報告(論文) 報告(論文)題目：脈沖激光器的結構設計與仿真 作者所在系部： 作者所在專業(yè)： 作者所在班級： 作 者 姓 名 ：張凱偉 作 者 學 號 ： 指導教師姓名： 完 成 時 間 ： 北華航天工業(yè)學院教務處制 摘 要 光纖激光器是以傳輸光纖為介質，摻雜稀土元素活性離子作為介質而構成的一類激光器，是一種新型高性能全固態(tài)激光器，具備輸出光束質量好、轉換效率高、散熱好、可靠性高、易于集成等明顯優(yōu)點，目前，成為全面提升現(xiàn)有傳統(tǒng)激光器功能和掀起激光產業(yè)技術改革的先鋒和領航者，在諸多領域具備廣泛使用前景。 本文主要對100W脈沖激光器結構和激光器溫度控制的研究，應用于激光清洗、激光加工系統(tǒng)、激光損傷系統(tǒng)，采用疊板結構設計，即光路和電路，電路模塊外接24V恒流源接口，使用DB25針接口與計算機通信，光路模塊通過高穩(wěn)定度窄脈寬調Q脈沖種子源，經兩級放大空間，達到100W脈沖輸出。 具體工作內容如下： 首先，分析脈沖激光器的設計組成和工作原理，對不同的產熱部位、產熱機理和熱分布規(guī)律研討，選用風扇冷卻方式。 其次，在三維繪圖軟件Pro/E中建立結構的模型及裝配，在Ansys workbench中導入模型，建立模態(tài)分析、網格劃分，進行熱仿真和振動仿真，分析風冷的散熱效果。 最后，對仿真結果進行記錄，比對元器件最高承受的溫度，以及光纖盤安全工作的溫度，真實反映散熱措施的散熱效果。 關鍵詞：脈沖激光器 結構 有限元 熱仿真 振動分析 Abstract Fiber laser based on optical fiber as medium， reactive ion doping rare earth elements as working medium， and form a kind of laser is a new type of high-performance， solid-state laser has good output beam quality， high conversion efficiency， good heat dissipation effect， high reliability and easy system integration etc. At present， has become a comprehensive upgrade the existing traditional laser performance and lifted the pioneer and leader of laser industry technical transformation， with wide application prospect in many fields. In this paper， the main structure of 100W pulse laser and laser temperature control research， applied in laser cleaning， laser processing， laser damage system， uses the laminated structure design， the optical path and electric circuit， external interface 24 v constant current source circuit module，use DB25 needle interface with the computer communications， optical path module using a high stability narrow pulse width tuning Q seed source， amplified by two levels of space，reaching 100 w pulse output． The details are as follows: First of all， the analysis of design and working principle of pulsed laser，heat production of different parts for heat production mechanism and heat distribution， choose fan cooling mode. Second，in the 3D drawing software Pro/E establish the structure of the model and assembly， import the model in the Ansys workbench， modal analysis, meshing， simulation of thermal simulation and vibration analysis of air cooling heat dissipation effect. Finally， the simulation results are recorded and components on the highest temperature， and the temperature of the optical fiber plate of safety work， reflect the cooling effect of cooling measures. Keywords: Pulse laser structure The finite element Thermal simulation Vibration simulation I 目 錄 摘 要 I Abstract II 目 錄 1 第1章 緒論 1 1.1　課題背景 1 1.1.1　來源 1 1.1.2　背景 1 1.2　國內外研究情況 2 1.3本文主要研究內容 2 第2章　介紹基本原理 4 2.1　光纖激光器的原理 4 2.2　高穩(wěn)定度窄脈寬調Q種子脈沖技術原理 4 2.3　光纖調Q激光器的光路結構 5 2.4　結構設計理論基礎 5 2.4.1　機械結構設計創(chuàng)新設計的重要性 5 2.4.2　結構設計的基本條件和要求 6 2.4.3　結構設計特點 6 2.4.4　結構設計基準和設計準則 6 2.5　熱仿真原理 6 2.5.1　熱源和熱阻 7 2.5.2　熱損傷 7 2.5.3　熱傳遞方式 7 2.5.4　穩(wěn)態(tài)傳熱 8 2.5.5　熱控制方法 8 2.5.6　本章小結 9 第3章　脈沖激光器結構設計 10 3.1　光路結構 10 3.1.1　各部分擬采用的器件參量及相應的輸出指標 10 3.1.2　光路模塊結構設計 11 3.1.3　光路模塊裝配 12 3.1.4　散熱齒片的設計 12 3.2　電路部分 13 3.2.1　控制及電路模塊主要完成內容 13 3.2.2　電路部分工作過程 13 3.3　結構熱源的依據 14 3.3.1　電路部分熱量 14 3.3.2　電路部分熱量 14 3.4　結果 15 3.5　改進及評估 15 第四章　熱分析 16 4.1　脈沖激光器元器件熱源依據 16 4.2　風扇的對流換熱系數(shù) 16 4.3　建立立熱學仿真模型及分析 17 4.4　熱仿真結果 18 4.5　結果 22 第五章　脈沖激光器振動仿真 23 5.1　振動仿真原理 23 5.2　建立分析模型及振動仿真 23 5.2.1　模型的簡化和導入 23 5.2.2　設置材料 23 5.2.3　劃分網格 23 5.2.4　模態(tài)分析 23 5.2.5　結果分析 24 5.3　結論 24 致　　謝 25 參考文獻 26 1 第1章 　緒論 1.1　課題背景 1.1.1　來源 本課題來源于中國航天第九研究院十三所得創(chuàng)新項目“高能窄脈寬脈沖光纖激光器關鍵技術研究”。 1.1.2　背景 光纖激光器是近幾年發(fā)展起來的一種新型的激光器，和早先就技術成熟的固體和氣體激光器相比較，表現(xiàn)出良好的散熱功能，較強的環(huán)境適應性，較高的電光轉換效率，較低的功耗和簡易的結構，已經在工業(yè)加工、通信、醫(yī)療、化工和航空領域得到了廣泛的使用。近年來光纖激光器在科研、軍事和民用方面的應用前景越來越普遍，尤其是脈沖激光器技術已經成為激光技術領域的一個重要課題和研討對象。 光纖激光器是近幾年發(fā)展起來的一種比較新型的激光器，和早先就技術成熟的固體和氣體激光器相比較，表現(xiàn)出良好的散熱性能，較強的環(huán)境適應性，較高的電光轉換效率，較低的功耗和簡單的結構，已經在工業(yè)加工、通訊、醫(yī)療、化工和航空領域得到了廣泛的應用。近年來由于光纖激光器在科研、軍事和民用方賣弄的應用前景越來越廣泛，尤其是脈沖激光器技術已經成為激光技術領域的一個重要課題和研究對象。 光纖激光器一般有連續(xù)和脈沖兩種工作形式。隨著各種特種光纖研制及光束合成技術的成熟，脈沖激光器得到的很大的發(fā)展。脈沖激光器在激光切割、激光焊接、激光涂覆等民用領域；在軍事領域，近年來發(fā)展的基于光纖激光的激光武器系統(tǒng)是高功率連續(xù)波長纖激光器重要應用之一。脈沖激光器已經廣泛應用于激光加工、激光打標、激光清洗等；在高功率大脈沖能量的光纖激光器具有極好的損傷效果，用于構建脈沖型激光武器系統(tǒng)，能對特種材料進行有效的打擊，且比連續(xù)波激光武器系統(tǒng)耗能更少；在航空領域，緊湊高效的高能光纖脈沖激光器在空間碎片清理、激光推進和激光雷達等領域極具應用潛力?？傊?，發(fā)展高能窄脈寬光纖激光器具有廣闊的市場化和軍事應用前景。 隨著對激光器功率的要求越來越高，其較大面積和體積，已經不能滿足散熱要求。大量的熱積累會對關鍵的功率器件造成熱損傷，甚至影響光纖激光器性能和系統(tǒng)。因此就需要采用有效的熱控技術對高功率光纖激光器其進行散熱處理，以滿足安全使用要求，本文以100W脈沖激光器為研究對象，根據脈沖激光器關鍵功率器件的散熱機理，利用風扇冷卻散熱原理，進行結構優(yōu)化設計，發(fā)展高功率小型化風冷脈沖光纖激光器。 1.2　國內外研究情況 鑒于高能脈沖光纖激光器在各個領域的廣泛應用，國內外許多研究機構和公司對其進行研發(fā)。 早在2002年，Limpert等人實現(xiàn)了重復頻率為50kHz，脈寬為90ns，平均功率為100W脈沖激光器輸出。上海光機所實現(xiàn)了重復100KHz，脈寬為400ns，平均功率為133.3W光纖脈沖激光器輸出。 2011年，德國研究人員采用大模場光子晶體光纖，實現(xiàn)了平均功率為130W，重復頻率為5kHz，脈寬為65ns，單脈沖能量為26mJ的Q開關光纖激光器。 2013年，南普頓大學研究人員采用多級MOPA放大，報道了輸出功率為265W，脈寬為500ps-500ns可調，重頻1HZ-1MHz可調的脈沖光纖激光器。 2014年，天津大學研究人員采用二級MOPA放大，實現(xiàn)了脈寬為100kHz，平均功率為300W脈沖激光輸出。 除了高校和研究所對高能窄脈寬光纖激光器投入研究外，許多公司相繼發(fā)展高能窄脈寬光纖激光器，迄今為止，國內脈沖光纖激光器主要廠家包括深圳創(chuàng)新、武漢銳科和山東海富，其脈沖激光器主要產品為10W、20W、30W、和50W，百瓦級實驗室已經實現(xiàn)，但還未達到市場成熟產品狀態(tài)，而國外光纖激光器巨頭IPG高功率脈沖激光器成熟的產品種類有100W、100-500W、4000W檔次。 對比國內外脈沖激光器可見，我國在高功率脈沖激光器方面，尤其是300W以上脈沖激光器幾乎是空白，因此有必要大力發(fā)展高功率脈沖激光器。 1.3　本文主要研究內容 本文根據100W脈沖激光器產品研發(fā)需求，詳細介紹了產品設計方案，論述了脈沖激光器調Q原理和結構設計原理，針對使用環(huán)境和散熱需求，進行了熱仿真和振動仿真，對于100W脈沖激光器采用了風扇冷卻的方式，主要研究內容如下： （1）引薦本文課題的起源、背景，通過查閱資料了解了國內外脈沖激光器的研究現(xiàn)狀， （2）分析脈沖激光器系統(tǒng)的設計組成和工作原理，對不同的產熱部位進行產熱機理和熱分布規(guī)律研究，搭建相應的產熱數(shù)學模型，分析了熱效應對不同的關鍵功率器件的性能影響。針對地面和空間的不同工況條件，選用風扇冷卻的熱控技術對激光器進行散熱。 （3）在三維繪圖軟件Pro/E中建立結構的模型，在ansys workbench中建立激光器殼體結構有限元熱仿真，設置相應的條件進行研究，分析散熱效果的影響。 （4）對仿真結果進行記錄，比對元器件最高承受的溫度，以及光纖盤安全工作的溫度，真實反映散熱措施的散熱效果。 第2章　介紹基本原理 2.1　光纖激光器的原理 光纖激光器與傳統(tǒng)激光器一樣，都是由泵浦源、增益介質和光學諧振腔三部分構成，其原理圖如下圖2-1所示需改進，泵浦源大多數(shù)情況下采用半導體激光器（LD），采用的LD輸出波長976nm，經合束器將多個LD輸出的短波長的激光耦合到一根有源光纖中，再通過融合技術使激光傳輸?shù)皆鲆娼橘|（有源光線）中。增益介質為摻雜有稀土元素鐿的光纖，不同的稀土離子（Nd3+、Yb3+、Er3+、Tm3+）不同波長激光照射下可得到不同波段的激光，本激光器采用的是摻雜有Yb3+的有源光纖，其輸出的激光的波長為1080nm。諧振腔由可以提供正反饋的光學器件如光功率剝離器、光纖合束器、光纖光柵等組成。泵浦光在增益介質和諧振腔的作用下，最終由短波長低亮度的泵浦光形成長波長高亮度的穩(wěn)定激光輸出。 圖2-1　光纖激光器組成結構和產熱圖 2.2　高穩(wěn)定度窄脈寬調Q種子脈沖技術原理 具有高穩(wěn)定度的調Q種子脈沖源是獲得更高功率脈沖激光器基礎，因此需對其進行細致深入的設計與優(yōu)化。當聲光Q開光關閉時，諧振腔內具有較大損耗和較低Q值，此時激光振蕩閥值高，上能級的反轉粒子數(shù)大量積累；當聲光Q開光打開時，諧振腔內具有較小的損耗和較高的Q值，此時激光振蕩迅速建立，腔內以極快速度建立起極強的振蕩，在短時間內反轉離子數(shù)被大量消耗，轉變?yōu)榍粌裙饽芰坎⑼ㄟ^耦合鏡輸出一個極強的巨脈沖。光纖型脈沖激光器輸出脈沖寬度和能量及脈沖穩(wěn)定度與激光器泵浦功率、腔內光纖長度、摻雜光纖濃度及各個器件的插入損耗相關，因此需對激光腔內各個器件進行優(yōu)化設計。 2.3　光纖調Q激光器的光路結構 100W脈沖激光主光路模塊由調Q脈沖種子源、預防大、主放大三部分，光路結構如圖2-2。 圖2-2　100W脈沖激光器光路圖 為了滿足光纖脈沖激光器具有100W功率輸出，光路采用種子源加兩級放大的方案，種子源采用調Q脈沖種子源，由反射光柵、10/130摻雜光纖、聲光調制器、輸出光柵組成。光纖調Q種子脈沖源采用（2+1）×1合束器端泵方式。種子源和一級放大之間用在線隔離器隔離開，防止放大級對種子脈沖源產生影響。一級放大由（2+1）×1合束器和10/130摻雜光纖，經CPS剝離泵浦光后，采用100W空間隔離器作為激光輸出。 2.4　結構設計理論基礎 結構設計的工作是在總體設計的基礎上，依據所確定的原理計劃，確定并繪出詳細的結構圖，以體現(xiàn)出要求的功能。將抽象的原理具體轉化為某構造或零部件，具體內容為在確定結構的材料、形態(tài)、尺寸、公差、熱處理、和外表狀況的同時，還需考慮其加工工藝、強度、剛度、精度以及與整體彼此之間等聯(lián)系，所以結構設計的產物雖然是技術圖紙，但結構設計不是簡單地機械圖紙，圖紙只是表達設計計劃的方式，綜合技術的詳細化是結構設計的具體內容。 2.4.1　機械結構設計創(chuàng)新設計的重要性 隨著社會經濟的進步，機械制造技術發(fā)展也極為迅速，并且，機械制造是我國主要生產行業(yè)之一，對推動我國經濟發(fā)展有著極大推進的作用。然而，我國作為一個機械制造大國，在機械構造設計上卻還未完善，很多機械制造都是仿造發(fā)達國家的機械設計工藝來生產的，盡管一些機械結構設計也發(fā)生了改動，而從本質上卻仍然沒有太大的變化，自主創(chuàng)新設計不足，始終援用技術會形成我國的機械結構設計會隨著發(fā)達國家走，不能將其真正的跨越，我國作為一個經濟大國、機械制造大國，不可僅將眼光停留在機械的制造中，更應將目光放在結構設計的創(chuàng)新上，同時，還要注重機械結構設計創(chuàng)新人才的培育，這才是機械結構設計創(chuàng)新發(fā)展的關鍵。 2.4.2　結構設計的基本條件和要求 進行結構設計必須清楚了解對結構設計的全部要求和條件，具體如下： （1） 功能要求，結構設計的系統(tǒng)應具有的功能及其各主要部分應具有的分功能，總體和各部分的性能參數(shù)。 （2）使用者和使用的環(huán)境 環(huán)境影響。環(huán)境中的塵埃和砂石、濕度、溫度、輻射、電場、磁場。 使用者的技術熟練程度。 2.4.3　結構設計特點 結構設計的主要特點有: （1）它是集思索、繪圖、計算于一體的設計進程，是設計中遇到的困難最多、工作量最大的工作階段，約占80%工時，對設計的成敗起著決定性作用。 （2）結構設計的多解性，即滿足同一設計要求的結構是有很多種的。 （3）結構設計階段是一個很重要的設計環(huán)節(jié)，經常需交叉的進行，為此在結構設計時，需要從整體出發(fā)以便滿足基本要求。 2.4.4　結構設計基準和設計準則 （1）明確功用。結構設計時依據要求，確定尺寸和結構形狀，以及互相之間的配合，滿足功能要求 （2）功能合理性。產品設計時，依據需要，通常有必要將工作合理的分配，即一個功能分解為多個分功能，每個分功能有確定的結構承擔，各部分結構之間有聯(lián)系，以達到最后能得實現(xiàn)。 （3）滿足強度的設計原則。截面的變動應與其內應力變化相適應，使各截面強度都能在承受范疇之內。 2.5　熱仿真原理 要進行設備及系統(tǒng)的耗能控制，必須熟悉系統(tǒng)內的熱源、發(fā)熱源由及熱散布規(guī)律，明白熱傳遞的形式和主次關系，選擇合理的熱控方案，及時將元器件的溫升散走，確保元器件的常態(tài)工作。 2.5.1　熱源和熱阻 在各主要領域中，不同的元器件或設備均依拖電流與控制實現(xiàn)各種性能，設備在工作中，隨著電流的增加，熱源也會不斷生產，熱量的聚集也會越來越大，若不及時處理，其溫度就會上升，直到損壞，若熱流路徑良好，設備溫度會上升到一個穩(wěn)固的平衡點，此時從設備帶走的熱量與設備產生的熱量相等，以后溫度會保持穩(wěn)定不變。 2.5.2　熱損傷 （1）　熱損傷來源 一般情況下，設備所承受的熱損傷，主要來自于三個方面： 1)設備在工作過程中，由于輸入與輸出的能量存在轉換效率，即將一部分的電能轉換成了熱能。 2)工作在同一環(huán)境中的其他發(fā)熱體將熱量通過熱傳導、熱對流以及熱輻射的形式傳遞了設備。 3)在大氣環(huán)境中，由于各方向上的摩擦導致的溫升。 （2）　減少熱阻的方法 所以熱設計的主要原則是在熱源和用以消耗散熱的周圍環(huán)境之間，主動建立一條熱阻較低的熱流通道，將熱量以最快的速度散走，減少熱阻的方法有兩個方面： 1）控制元器件的內熱阻， 2）降低元器件或系統(tǒng)設備與外界環(huán)境間的外熱阻。 （3）控制設備熱阻 控制設備熱阻可從四個方面入手： 1）散熱。借助氣體或液體可流動的特性，采用自然對流或者強迫對流的措施，將設備的耗熱帶走。 2）制冷。主要是對熱源進行冷卻的一種方式。一般情況下應采用固體升華和液體蒸發(fā)以及熱電制冷等技術，將器件或者設備冷卻至比周圍環(huán)境還低的溫度。 3）恒溫。主要是對熱源的溫度進行維持，保證在一特定值或者周圍微小浮動，常用的是相變材料的潛熱和熱省得控溫以及熱電效應。 4）傳熱。應用具有較高導熱系數(shù)的材料或者采用熱管導熱的方式，減小器件和設備與周圍環(huán)境的溫差。 2.5.3　熱傳遞方式 熱傳遞的形式有三種：熱傳導，熱對流和熱輻射。在熱設計中，這些傳遞方式一般都是同時進行。 （1）　熱傳導 物體的各組成部分之間沒有運動時，在微觀上存在分子，原子核自由電子等的熱運動導致的熱量傳送統(tǒng)稱為熱傳導。熱傳導主要從微觀和宏觀兩個方面體現(xiàn)，一個表現(xiàn)在物體內部，各部分之間存在溫差引起熱量從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳遞，另一個表現(xiàn)在物體相接觸時，具有較高溫度的物體吧熱量傳遞給溫度相對較低的物體。 傅里葉定律體現(xiàn)了熱傳導的規(guī)律，即在熱傳導時，單位步長時間內通過特定截面的熱流量與垂直于該界面方向的溫度變化率，以及該截面的面積成正比的關系。 （2）　熱對流 一般來說，對流換熱通常表現(xiàn)為流體與固體表面熱量傳輸現(xiàn)象。是借助流體在活動過程中互相熱量的傳遞。按流體的流動的起因的差異，對流可分為自然對流換熱和強迫對流換熱兩類。引起自然對流是由于各部分流體的密度存在差異，而強制對流則是借助外力（風機、水泵等）促使流體流動，按流態(tài)的不同可以分為層流和湍流兩種如圖2-5所示。 層流 湍流 圖2-3　層流和湍流 2.5.4　穩(wěn)態(tài)傳熱 穩(wěn)態(tài)傳熱是在傳熱系統(tǒng)中各點溫度不隨時間變化而變動，僅與取點的差異而不同。特點是流經傳熱面的熱量在單位步長時間內為一個常量，也就是說熱量達到一定值不再增加此時系統(tǒng)流入的熱量和系統(tǒng)自身的產熱量之和與流出系統(tǒng)的熱量相等。 （2-1） 則系統(tǒng)穩(wěn)定。 2.5.5　熱控制方法 對于熱定的元器件或者設備，知道了其產熱量、幾何參數(shù)、允許的最高溫度等，根據傳熱方式的不同，繪制如圖2.5.5所示的曲線， 圖2-4　熱控方式選擇參照圖 分析上圖可見，器件與周圍間溫差為60℃時，自然對流和輻射換熱的散熱僅在熱流表面密度小于0.05W/cm2時候有效，但在強迫風冷對流換熱使物體表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)提高了大約一個數(shù)量等級，這種情況下在溫升為100℃是不能提供超過1W/cm2的傳熱能力。為了促使從元件表面?zhèn)鬏數(shù)臒崃髅芏?，熱設計應該在肋化空氣冷卻散熱器和直接液冷之間做出選擇，為了促進對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，可采用齒扇排列方案提高空氣冷卻效率。以便逐漸提高元件的熱流密度。 大多數(shù)器件和設備在散熱過程中都不同程度上利用了熱傳導，熱對流和熱輻射三種傳熱方式，但在設計中往往只把一種傳熱方式作為主要方式。本課題的脈沖激光器采用的是第一類熱傳導。 2.5.6　本章小結 本章主要對光纖激光器、電子設備的熱設計原理及理論進行了分析，對結構設計的理論基礎進行了闡述和說明，尤其是光纖調Q激光的光路結構，另外對光纖調Q原理進行了解釋，最后對熱仿真的原理進行了分析，為后續(xù)脈沖激光器的結構設計和熱仿真提供了理論參考。 第3章　脈沖激光器結構設計 100W脈沖激光器整機系統(tǒng)由主光路模塊、控制及電路模塊、電源接口、控制接口、恒流源模塊、泵浦源模塊、散熱模塊、輸出模塊等組成。目前激光器總體尺寸為400×300×210mm。 3.1　光路結構 首先，光路部分是脈沖激光器的最重要部分，由于種子源功率較小，功率不足夠，所以光路設計采用光纖聲光調Q種子源加二級MOPA放大方案，第一級為種子脈沖源，采用光纖聲光調Q種子脈沖源，第二級為主放大，各放大級之間用在線隔離器進行隔離。 3.1.1　各部分擬采用的器件參量及相應的輸出指標如下 （1）　調Q種子脈沖源 實現(xiàn)指標：重復頻率：20K-200K可調； 脈寬：100ns； 輸出平均功率：0.6-2W。 技術方案：種子脈沖激光器采用腔外端面泵浦源，合束器為（2+1）×1，泵浦源尾纖為105/125多模光纖，單臂承受功率大于20W,信號光纖為10/130雙包層光纖，泵浦LD最大輸出15W；反射光柵和輸出光柵中心波長都為1064nm，其中反射光柵反射率R=99.9%； 輸出反射光柵反射率R=10%,光柵尾纖為10/130雙包層光纖；聲光Q開光20K-200K可調，上升沿50-150ns，損傷閥值大于5W。 （2）　一級放大（預防大） 實現(xiàn)指標:脈寬：＜120ns； 輸出平均功率：＞15W。 技術方案：采用隔離功率大于10W的在線隔離器（ISO）；合束器為（2+1）×1，泵浦尾纖為105/125多模光纖，信號光纖為10/130雙包層光纖，單臂承受功率大于30W，泵浦源采用2個最大輸出功率為225W的LD，增益光纖采用10/130雙包層摻雜光纖，光線長度為8-15m。 （3）　二級放大（功率放大） 實現(xiàn)指標：脈寬：150ns； 輸出平均功率：＞100W； 技術方案: 采用隔離功率大于20W的在線隔離器（ISO）；合束器為（6+1）×1，泵浦尾纖為105/125多模光纖，信號光纖為10/130。 雙包層光纖，單臂承受功率大于50W，泵浦源采用5個最大輸出功率為大于50W的LD，增益光纖采用30/250雙包層摻雜光纖，光線長度為8-15m。 3.1.2　光路模塊結構設計 光路模塊主要實現(xiàn)激光振蕩，放大和輸出，其中包括調Q種子光纖脈沖源，預防大和主放大兩級，最后經隔離器輸出。當傳感器的光纜彎曲半徑過小時，入光率也會相應變少，傳感器認為檢測到了物體，有輸出，這樣會出現(xiàn)誤輸出，所以有最小彎曲半徑。三維模型如圖3-1所示。 圖3-1　光路三維模型 3.1.3　光路模塊裝配 在Pro/E中，首先按實際尺寸構建零件的三維實體，如隔離器ios，剝離器cps，合束器，種子源，LD等，繪制出支撐光纖的光纖槽，有利于光纖的散熱和固定，再新建裝配體文件夾，采用設計思維和模塊化思想，通過定義插入約束，配合約束、對齊約束，將各零件組裝成裝配體，判別裝配體結構的合理性，若不合理，對零件或裝配信息重新修正，免得各零件之間產生干涉，使設計達到合理設計要求。裝配結果如圖3-2。 圖3-2　光路模塊裝配圖 3.1.4　散熱齒片的設計 散熱齒片是風冷散熱的主要組成部分，直接決定了散熱效果的好壞，不同高度尺寸的散熱齒片，對器件的散熱效果不一樣，由經驗得知散熱通道/齒片寬度=2/1或3/1，即若齒片寬度大約為1mm，風通道為2-3mm，光路散熱齒高40mm，光路散熱齒高20mm，因此需要設計合理的散熱齒片高度，使其具有最優(yōu)的散熱效果。如圖3-3所示： 圖3-3　散熱齒示意圖 3.2　電路部分 3.2.1　控制及電路模塊主要完成以下內容： （1）與DB25接口通信，將外部命令轉換為內部控制。 （2）打開和關閉紅光指示光源。 （3）打開和關閉電流源，為了保證光纖激光器光路穩(wěn)定，其電流系統(tǒng)必須要進行延時控制。激光器打開時，其中預放大供電電流源必須遲于供電電流源打開至少50ms，主放大供電電流源必須遲于預防大供電電流源打開至少50ms，激光關閉時，其中主放大供電電流源必須早于預防大供電電流源關閉至少50ms，預放大供電電流源必須早于供電電流源關閉至少50ms。 3.2.2　電路部分工作過程 24V供電電流源通過AC/DC變換給數(shù)字電路提供5V電源，同時給紅光電源，和激光器驅動源提供12V電源，CPU（數(shù)字邏輯芯片）通過25針接口，與上位機通訊接收指令，CPU解碼指令后并執(zhí)行，通過繼電器控制激光器驅動源延時導通，并根據上位機通訊接受指令，中的功率信息控制驅動源的電流幅值，同時根據上位機指令中的重頻信息控制輸出光開關控制脈沖信號，完成脈沖激光器脈沖激光輸出。電路結構圖如圖3-4。 圖3-4　電路三維模型結構圖 電路部分結構固定電路板，合理布置主要產熱器件MOS管的位置，滿足散熱要求，在有限的空間裝配添加Q開關。電路部分裝配結構圖如圖3-5。 圖3-5　電路裝配圖 3.3　結構熱源的依據 脈沖激光器有很多功率元器件組成，在工作時，會因為轉化效率，產生一些熱量，具體如下。 3.3.1　電路部分熱量 電路部分總共產生熱量60-70W，共有5條電路板調整恒流源，每條有兩個莫式管，所有熱量均布在10個莫式管上，主要產生的熱集中在莫式管上，每個莫式管熱量7W。 3.3.2　電路部分熱量 種子源LD將電能轉化為光能，LD電光轉換效率是45%，輸入電能10/45%≈22W，即產生10W的熱量。 一級放大的小LD產生熱量（25/45%）- 25≈27W 二級放大的三個大LD輸入功率是100W，由于電光轉換效率大約為45%左右，其余全部轉換為熱量，產生的熱大約為100×55%=55W。即各大LD生成大約50W熱量，總共產生50×3=150W熱量。橢圓跑道熱量24W，圓形跑道熱量5.4W。具體可見表3-1。 表3-1　元器件產生熱量表 元器件 熱量(W) 大LD 50 小LD 10 一級放大LD 27 MOS管 14 3.4　結果 經過一個半月的努力和討論，將脈沖激光器的三維模型繪制出，內部元器件已經模擬安裝上，強化了自己的繪圖和設計能力，提高了自己繪圖能力。 3.5　改進及評估 現(xiàn)階段第一版的三維模型已經完成，經領導和同事的評定建議，尺寸較大，內部元器件布置不合理，空余空間太多，沒有充分利用空間，層數(shù)太多，不便于維修和拆裝。下一步需要重新排布元器件，合理安排，將激光器總尺寸降低。 第四章　熱分析 為適應設備小型化要求，電子器件集成度越來越高，功率不斷增加，設備工作中因溫度過高引起的問題日益突出，如果熱量不能及時散發(fā)出去，將導致設備內部電子元件受損，如何控制設計產品的電子元器件的溫度，使其在所處環(huán)境不超越標準及允許的最高溫度是熱設計需求處理的問題，利用Ansys專業(yè)分析軟件進行仿真分析，能夠獲得較為真實的數(shù)據，為產品的熱設計提供有力的參考依據。 脈沖激光器采用風扇冷卻方式，此種冷卻方式在工業(yè)中用途廣泛，散熱效果較好，無論是電路板關鍵發(fā)熱器件還是高功率LD等,都運用風扇冷卻取得了良好的散熱效果。 風扇冷卻方式主要是通過空氣對流換熱系數(shù)和熱傳導進行散熱，激光器殼體采用導熱率較高的鋁材料，電路發(fā)熱莫式管緊貼在電路部分下表面，光纖在圓形和橢圓形跑道緊密接觸，五個LD在光路部分最下面，及時能將熱量傳導出去，風扇采用強制對流，最終將熱量帶走，達到散熱目的。 4.1　脈沖激光器元器件熱源依據 種子源LD將電能轉化為光能，LD電光轉換效率是45%，輸入電能10/45%≈22W，即產生10W的熱量。 一級放大的小LD產生熱量（25/45%）-25≈27W 二級放大的三個大LD輸入功率是100W,由于電光轉換效率大約為45%左右，其余全部轉換為熱量，產生的熱大約為100×55%=55W。即各大LD生成大約50W熱量，總共產生50×3=150W熱量。 橢圓跑道熱量24W，圓形跑道熱量5.4W。列表格如下表4-1。 表4-1　元器件熱量表 元器件 熱量(W) 大LD 50 小LD 10 一級放大LD 27 MOS管 14 4.2　風扇的對流換熱系數(shù) 流體與固體表面之間的換熱能力，表面對流換熱系數(shù)的數(shù)值與換熱過程中流體的物理性質、換熱表面的外形、部位、表面以及流體的流速等都有關系。物體表面附近的流體的流速愈大，其表面對流換熱系數(shù)也愈大。對流換熱系數(shù)可用經驗公式計算，很多情況下用巴茲公式計算。 經查詢資料得知，對流換熱系數(shù)分為自然對流和強制對流，脈沖激光機冷卻方式屬于后者，空氣自然對流5～25，氣體強制對流20～100。 經查詢使用的風扇電壓24V，電流0.78A，轉速5700RPM，風量為80.16CFM，風扇面積為80×80mm，計算步驟如下： 1CFM ≈5.097m3/min，80CFM=136.272m3/h=408.58m3/min。 風口面積：S=80×80=6400mm2=0.0064m2。 熱流密度：Q=vt×s （3-1） v=Q/ts=408.58/（3600×0.0064）=17.73m/s。 八級大風為17.2-20.7m/s，風速為八級風。 經查詢，得到經驗公式hc=Bvn （3-2） h= Bvn/c=41.075，即所采用的風扇冷卻方式的對流換熱系數(shù)是40 W/(m2·K) B=18.3，速度指數(shù)：n=0.5-0.6。 h——對流換熱系數(shù)。 4.3　建立立熱學仿真模型及分析 4.3.1　模型的簡化和導入 在Pro/E軟件中建立三維實體模型，是根據實際設計尺寸繪圖，如圖所示在做有限元分析時，為了減少分析的運算量和分析的可行性，需要對模型簡化處理，根據慣例，如一些對分析最終結果影響很小的倒角、孔需要簡化去掉，在Ansys軟件中，形成Ansys的三維模型。在三維模型中需要用螺釘連接，但連接處螺釘分析處理很復雜，簡化去掉。通常實驗條件下，可以認為連接面不發(fā)生相對滑移，所以為了簡化分析把這些面連接在一起。 啟動Ansys workbench，創(chuàng)建分析項目A，導入簡化后的三維模型。雙擊Geometry，進入Design Modeler，單擊Generate，即導入模型成功。 圖4-1　簡化后模型 4.3.2　設置材料 在安裝結構主要由三維實體組成，鋁材料導熱性能良好，密度相對較小，采用鋁材料（6106-T6），在材料庫中添加鋁材料。雙擊Engineering Date，將鋁材料添加到模型中。 4.3.3　劃分網格 使用Ansys網格劃分工具對模型光路和電路模塊劃分網格，點擊Mesh，將Sizing改為Medium，等待進度顯示條完成，網格劃分完成，共劃分294821個單元網格。 4.3.4　添加熱載荷 在風扇添加處熱對流，點擊Convection，在元器件上添加熱載荷，點擊Heat Flow，逐個添加。 4.3.5　結果后處理 右擊B6，插入Temperature，進度顯示條完成，后處理成功。 4.4　熱仿真結果 雖然Ansys仿真軟件能夠提供一定的參考，是建立在簡化模型后的，具體安裝會有偏差，為了保證激光器穩(wěn)定工作，模擬元器件在不同熱量下的散熱情況，需要模擬不同環(huán)境下。 4.4.1　強制風冷，不同對流換熱系數(shù)下溫升變化 橢圓跑道15W，圓跑道3W，對流換熱系數(shù)為40，不同對流換熱系數(shù)表格見表4-2，截圖見圖4-2，剖視圖見圖4-3， 表　4-2 對流換熱系數(shù) 最高熱 位置 橢圓跑道 圓跑道 小LD1 小LD2 大LD 莫式管 20 35℃ 大LD 34.6℃ 33 30 34.8 35 35 30 32.649 大LD 32.1 30.4 27.8 32.6 32.6 32.4 40 31,433 小LD 31 29.2 26.8 31.433 31 30.9 50 30.729 小LD 30.3 28.4 26.2 30.729 30.2 30.08 60 30.253 小LD 29.8 27.88 30.253 25.83 29.6 29.4 70 29.909 小LD 29.47 27.42 25.554 29.909 29 29 80 29.646 小LD 29.204 27.188 25.3 29.646 28.86 28.7 90 29.438 小LD 28.981 26.937 25.13 29.438 28.539 28.443 100 29.269 小LD 28.811 26.743 25.06 29.269 28.3 28.233 圖4-2　整體溫度分布圖 圖4-3　剖視溫度分布圖 4.4.2　殼體不同對流換熱系數(shù)，溫升變化 風冷對流換熱系數(shù)為40，橢圓跑道15W，圓跑道3W。不同殼體自然毒瘤換熱系數(shù)見表4-3，殼體對流溫度分布云圖如圖4-3。 表　4-3 殼體自然對流換熱系數(shù) 最高熱 位置 橢圓跑道 圓跑道 小LD1 小LD2 大LD 莫式管 5 31,433 小LD 31 29.2 26.8 31.433 31 30.9 10 31.356 小LD 30.933 29.084 26.774 31.356 31.148 30.911 15 31.285 小LD 30.794 29.021 26.704 31.285 31.109 30.819 20 31.22 小LD 30.677 29.17 26.649 31.217 31.045 30.751 25 31.158 小LD 30.561 29.075 26.586 31.158 31.008 30.655 圖4-4　殼體對流溫度分布云圖 4.4.3　不同圓跑道熱載荷的溫升變化 風冷氣體強對流換熱系數(shù)40，殼體自然換熱系數(shù)5，橢圓跑道15w，不同圓跑道熱量見表4-4，圓跑道溫度分布圖如圖4-5。 表　4-4 圓跑道 最高熱 位置 橢圓跑道 小LD1 小LD2 大LD 莫式管 10 31.346 圓跑道 31.371 26.952 31.549 31.354 31.153 15 35.373 圓跑道 31.449 26.997 31.583 31.451 31.251 圖4-5　圓跑道溫升變化 4.4.4　不同橢圓跑道熱載荷，溫升變化 橢圓跑道變化，風冷氣體強對流換熱系數(shù)40，殼體自然換熱系數(shù)5，圓跑道熱5W，不同橢圓跑道熱載荷表見表4-5，橢圓跑道溫度分布云圖。 表　4-5 橢圓跑道 最高熱 位置 圓跑道 小LD1 小LD2 大LD 莫式管 20 33.056 橢圓跑道 29.709 26.99 31.584 31.313 31.147 25 34.878 橢圓跑道 29.867 27.061 31.652 31.384 31.211 30 36.699 橢圓跑道 30.024 27.128 31.715 31.484 31.271 35 38.518 橢圓跑道 30.071 27.201 31.784 31.499 31.314 40 40.334 橢圓跑道 30.326 27.255 31.852 31.56 31.403 圖4-6　橢圓跑道溫度分布云圖 4.5　結果 本章對脈沖激光器的主要功率器件，LD、跑道、MOS管等，進行了風冷分析，建立了熱仿真有限元仿真模型，對不同的熱對流換熱系數(shù)進行了假設與仿真。通過對數(shù)值仿真結果的分析，驗證了結構的可行性，最后對將熱仿真后的結構應用到脈沖激光器整體系統(tǒng)，散熱要求可達到使用要求。 第五章　脈沖激光器振動仿真 隨機振動分析也稱為功率譜密度分析，是一種基于概率統(tǒng)計學理論的譜分析技術。 5.1　振動仿真原理 現(xiàn)實中有很多情況下載荷是不確定的，如在運輸脈沖激光器的過程中，汽車在公路上行駛時每次的振動載荷也會有所差別，由于不確定性，這種狀況不可選擇瞬態(tài)分析來模擬分析，另外和確定性振動不同，隨機振動遵循概率統(tǒng)計法則，只能用概率統(tǒng)計方法形容，于是從概率統(tǒng)計學角度出發(fā)，將時間歷程的統(tǒng)計樣本轉變?yōu)楣β首V密度函數(shù)（PSD）-----隨機載荷時間歷程的統(tǒng)計響應，在功率譜密度函數(shù)的基礎上來隨機振動分析，會得到響應的概率統(tǒng)計值。 隨機振動分析是一種頻域分析，需求首先進行模態(tài)分析，得到主要的被激活振型的頻率和振型，提取出來的頻譜應該位于PSD曲線頻率范圍之內，載荷為PSD譜，作用在結構上，也就是作用在所有約束位置。 5.2　建立分析模型及振動仿真 5.2.1　模型的簡化和導入 在Pro/E軟件中根據實際設計尺寸繪圖，建立三維實體模型，在做有限元分析前，簡化三維模型，導入簡化后的模型。 5.2.2　設置材料 采用鋁材料（6106-T6），鋁材料有抗震性能良好，密度相對較小，質量較小等長處。在材料庫中添加鋁材料。 5.2.3　劃分網格 使用Ansys網格劃分工具對模型光路和電路模塊劃分網格，共劃分103842個單元網格。 5.2.4　模態(tài)分析 利用Ansys模態(tài)分析對模型進行模態(tài)分析，得到固有頻率和第二振動頻率，分別為609.62和788.11HZ，振動頻率如圖5-1。 圖5-1　振動頻率頻譜圖 5.2.5　結果分析 從隨機振動分析結果可以看出，最小振動頻率為609.62Hz，根據國軍標運輸標準查詢，得知振動頻率在0-500Hz。分析結果振動頻率高于標準，不會發(fā)生共振，符合國家軍隊運輸標準。分析結果如下： 圖5-2　振動仿真云圖 5.3　結論 經過對激光器模型的有限元分析，特別是振動分析，證明建立的三維模型是可行得，并依據分析結果提出了更好的修改計劃。同時，能夠看出Ansys能對產品的結構設計進行分析，并得到了相對應的結果，但是，在用Ansys有限元分析是存在很多簡化，與實際的產品在生產中存在公差，所以用Ansys的分析結果只能作為設計的參考。 致　　謝 光陰荏苒，大學的學習即將結束，四年的學習生活使我收獲頗豐。畢業(yè)實習是大學學習完成全部課程后的最重要的實踐環(huán)節(jié)，此畢業(yè)設計是在實習單位做的企業(yè)課題，在這兩個多月的實習階段，我的畢業(yè)設計和論文終于完稿，回首這段時間以來，從繪圖和仿真軟件的學習、三維模型的建立、評估、探討、修改到最終確定，我得到了許多同事的關懷和幫助，如今要向他們表達我最誠摯的謝意 。 感謝校內指導老師陳明教授在實習工作和畢業(yè)設計的幫助，在我做畢業(yè)設計的每個階段，從開題報告、結構設計草圖的確定，到結構的修改和完善，都提出了很多寶貴意見。設計說明書的修改也提出指導性意見和建議，幫助我完成畢業(yè)設計工作。 在這里感謝航天九院十三所的李磐博士，在激光器設計和論文構架對我的悉心指導，以及科研項目中思想啟發(fā)和指導。整個進程中都給予了我悉心的指點。同時還在思想上給我以無微不至的關心。作為一個本科生，因為接觸的設計項目很少，難免有許多考慮不周全的，如果沒有李博士的指導和傳授，想要完成幾乎是不可能的。 感激航天科技集團第九研究院十三研究所的王軍龍研究院、何哲璽博士和張琳研究員在結構方面對我進行設計指導。尤其是在仿真軟件的學習和經典理論知識上。盡管我的結構設計較為復雜，然而何博士和張琳依然認真糾正設計中的不足之處，對我孜孜不倦的教誨，在結構設計方面提供了很有價值的指導，指點的每一個方案，都使我有醍醐灌頂之感。除了敬仰他們專業(yè)程度外，他們勤奮細心的科研態(tài)度，認真踏實的工作作風是我永遠學習的榜樣，并將會影響我今后的學習和生活。 最后，向北華航天工業(yè)學院評審團及參加答辯的老師表示謝意。 參考文獻 [1] 余建祖．電子設備熱設計及分析技術[M]．北京：北京航空航天大學出版社．2008． [2] 張繼皇．高功率摻鐿光纖激光器及關鍵器件研究[D].武漢.華中科技大學.2012. 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