一種可提高諧振腔穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳南亦,竇飛飛,張麗敏

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所,河南 鄭州 450047)

1 引 言

激光測距機(jī)已應(yīng)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(xué)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(dǎo)彈的精確打擊起到至關(guān)重要的作用[2]。

測距機(jī)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(shí)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(yuǎn)程測距中標(biāo)的更為明顯[3]。當(dāng)激光諧振腔失調(diào)會導(dǎo)致激光束橫截面的能量分布不均勻,從而導(dǎo)致測距威力的降低。

此外當(dāng)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(biāo)較遠(yuǎn),則無法接收到激光的回波,會使探測率下降,嚴(yán)重時無法進(jìn)行測距[4]。所以在光電經(jīng)緯儀和遠(yuǎn)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(jī)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(jì),盡可能減少熱應(yīng)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(jì)分析

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

副底板的設(shè)計(jì)初衷是希望整機(jī)的形變首先施加于副底板,副底板形變后,再通過接觸點(diǎn)傳遞給發(fā)射機(jī)。副底板承載了整機(jī)絕大部分的形變應(yīng)力,對應(yīng)力進(jìn)行初級勻化。通過初級勻化,施加在諧振腔結(jié)構(gòu)上的應(yīng)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(jī)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jìn)行仿真分析。為提高計(jì)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(rèn)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(yīng)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(fù)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(shí)驗(yàn)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(jī)。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(fù)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(jī)在高溫試驗(yàn)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(shí)驗(yàn),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(jì),比如增加副底板的強(qiáng)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(shí)現(xiàn)保證光軸穩(wěn)定度。