一種可提高諧振腔穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)設(shè)計

陳南亦,竇飛飛,張麗敏

(中國電子科技集團公司第二十七研究所,河南 鄭州 450047)

1 引 言

激光測距機已應用在大部分的武器裝備中,成為國際軍用裝備上不可或缺的光學儀器[1]。脈沖激光測距技術(shù)對海、陸、空三軍的武器裝備以及導彈的精確打擊起到至關(guān)重要的作用[2]。

測距機的測距性能不僅取決于激光器的發(fā)射功率、激光接收系統(tǒng)的靈敏度,還取決于激光束橫截面的能量分布。實際激光能量與基模光束的高斯分布比較接近,從中心到邊緣降落,在中遠程測距中標的更為明顯[3]。當激光諧振腔失調(diào)會導致激光束橫截面的能量分布不均勻,從而導致測距威力的降低。

此外當發(fā)射光軸和接收光軸之間出現(xiàn)偏差,脈沖激光發(fā)射出后,若被測目標較遠,則無法接收到激光的回波,會使探測率下降,嚴重時無法進行測距[4]。所以在光電經(jīng)緯儀和遠程激光發(fā)射系統(tǒng)中,光軸的一致性是重要參數(shù)[5],很大程度決定了測距機性能的優(yōu)劣[6]。

綜上,諧振腔穩(wěn)定性和光軸的一致性是保證激光測距威力的關(guān)鍵因素?？梢酝ㄟ^優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計,盡可能減少熱應力對諧振腔和光軸的影響。

2 一種DPL激光器新型結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

在測距產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)過程中,整機結(jié)構(gòu)加工過程熱處理不充分,會導致材料應力釋放不充分,高溫條件下整機結(jié)構(gòu)的應力釋放會施加于激光器,引起激光器的形變,導致諧振腔嚴重失調(diào),光斑分布均勻性減低。

副底板的設(shè)計初衷是希望整機的形變首先施加于副底板,副底板形變后,再通過接觸點傳遞給發(fā)射機。副底板承載了整機絕大部分的形變應力,對應力進行初級勻化。通過初級勻化,施加在諧振腔結(jié)構(gòu)上的應力會大大減小。如圖1所示,激光器首先通過六個M6的螺釘與副底板固定,副底板又通過4個M6的螺釘與整機固定。

圖1 有副底板三維結(jié)構(gòu)圖Fig.1 3D structure with auxiliary sub-plate

3 仿真分析和實驗驗證

3.1 仿真分析

本文采用有限元分析軟件ANSYS對激光發(fā)射器結(jié)構(gòu)進行仿真分析。為提高計算效率,在不影響整體分析結(jié)果的基礎(chǔ)上,簡化激光器內(nèi)部結(jié)構(gòu),保留輸出鏡、全反鏡以及YAG棒。鋁材料的特性使用ANSYS材料庫的默認值,Nd∶YAG棒的彈性模量E=310 GPa,密度ρ=4560 kg/m3,泊松比ν=0.3[8]。分析模型去除內(nèi)部螺紋孔等特征。

選擇其中相同位置的安裝孔,Y方向施加0.03 mm的位移量,等效替代形變應力。輸出鏡/全反鏡Z方向的位移量可以表征諧振腔的失調(diào)度(見圖2)；YAG棒Y方向位移量可以表征光軸變化(見圖3)。

對比分析圖2(a)、(b)兩圖左側(cè)仿真結(jié)果(位移量正負僅表示方向)。對比絕對值可知,無副底板結(jié)構(gòu)最大形變量2.73×10-5；增加副底板后,最大形變量1.65×10-5,輸出鏡和全反鏡在Z方向位移量絕對值減小,即增加副底板結(jié)構(gòu),諧振腔形變減小,失調(diào)性大幅度改善。

圖2 諧振腔Z方向形變量分析Fig.2 Analysis of Z direction shape variables of resonator

對比分析圖3(a)、(b)兩圖左側(cè)仿真結(jié)果。對比絕對值可知,無副底板結(jié)構(gòu)YAG棒最大形變量1.69×10-5；增加副底板后,最大形變量1.86×10-5,YAG棒Y方向位移量絕對值增大,即增加副底板結(jié)構(gòu),光軸偏移略有增大。

圖3 YAG棒Y方向形變量分析Fig.3 Analysis of Y-direction shape variable of YAG rod

3.2 實驗結(jié)果

在理論仿真的基礎(chǔ)上,將兩種不同結(jié)構(gòu)的激光器用力矩扳手先后裝入同一整機。首先測量初始光軸和光斑,而后放入高溫箱,溫度梯度3 ℃/min線性升溫,升溫至65 ℃保溫2 h后恢復常溫,測量光軸和光斑。

對比分析圖4、5可知,無副底板結(jié)構(gòu)的激光發(fā)射機在高溫試驗后,光斑形變較大；有副底板結(jié)構(gòu)的激光器光斑基本保持一致,表明增加副底板結(jié)構(gòu)可以有效的降低諧振腔的失調(diào)度。但是通過圖6可知,其光軸略有偏移。

圖4 無副底板結(jié)構(gòu)高溫前后光斑對比Fig.4 Comparison of light spot before and after structuralenvironmental test without auxiliary floor

圖5 有副底板結(jié)構(gòu)高溫前后光斑對比Fig.5 Comparison of light spot before and afterstructural environmental test with auxiliary floor

圖6 有副底板結(jié)構(gòu)高溫前后光軸變化Fig.6 Changes of optical axis before and after hightemperature with auxiliary floor

4 結(jié) 語

本文通過仿真和實驗,對比分析副底板結(jié)構(gòu)對諧振腔和光軸穩(wěn)定度的影響。增加副底板結(jié)構(gòu)可大幅度降低激光器諧振腔的失調(diào)度,但是光軸穩(wěn)定度略有降低。通過優(yōu)化設(shè)計,比如增加副底板的強度、增加副底板與諧振腔接觸面積以及增加螺釘?shù)目缍鹊确椒?盡可能實現(xiàn)保證光軸穩(wěn)定度。