一种可提高谐振腔稳定性的结构设计

陈南亦,窦飞飞,张丽敏

(中国电子科技集团公司第二十七研究所,河南 郑州 450047)

1 引 言

激光测距机已应用在大部分的武器装备中,成为国际军用装备上不可或缺的光学仪器[1]。脉冲激光测距技术对海、陆、空三军的武器装备以及导弹的精确打击起到至关重要的作用[2]。

测距机的测距性能不仅取决于激光器的发射功率、激光接收系统的灵敏度,还取决于激光束横截面的能量分布。实际激光能量与基模光束的高斯分布比较接近,从中心到边缘降落,在中远程测距中标的更为明显[3]。当激光谐振腔失调会导致激光束横截面的能量分布不均匀,从而导致测距威力的降低。

此外当发射光轴和接收光轴之间出现偏差,脉冲激光发射出后,若被测目标较远,则无法接收到激光的回波,会使探测率下降,严重时无法进行测距[4]。所以在光电经纬仪和远程激光发射系统中,光轴的一致性是重要参数[5],很大程度决定了测距机性能的优劣[6]。

综上,谐振腔稳定性和光轴的一致性是保证激光测距威力的关键因素。可以通过优化结构设计,尽可能减少热应力对谐振腔和光轴的影响。

2 一种DPL激光器新型结构设计分析

在测距产品设计生产过程中,整机结构加工过程热处理不充分,会导致材料应力释放不充分,高温条件下整机结构的应力释放会施加于激光器,引起激光器的形变,导致谐振腔严重失调,光斑分布均匀性减低。

副底板的设计初衷是希望整机的形变首先施加于副底板,副底板形变后,再通过接触点传递给发射机。副底板承载了整机绝大部分的形变应力,对应力进行初级匀化。通过初级匀化,施加在谐振腔结构上的应力会大大减小。如图1所示,激光器首先通过六个M6的螺钉与副底板固定,副底板又通过4个M6的螺钉与整机固定。

图1 有副底板三维结构图Fig.1 3D structure with auxiliary sub-plate

3 仿真分析和实验验证

3.1 仿真分析

本文采用有限元分析软件ANSYS对激光发射器结构进行仿真分析。为提高计算效率,在不影响整体分析结果的基础上,简化激光器内部结构,保留输出镜、全反镜以及YAG棒。铝材料的特性使用ANSYS材料库的默认值,Nd∶YAG棒的弹性模量E=310 GPa,密度ρ=4560 kg/m3,泊松比ν=0.3[8]。分析模型去除内部螺纹孔等特征。

选择其中相同位置的安装孔,Y方向施加0.03 mm的位移量,等效替代形变应力。输出镜/全反镜Z方向的位移量可以表征谐振腔的失调度(见图2)；YAG棒Y方向位移量可以表征光轴变化(见图3)。

对比分析图2(a)、(b)两图左侧仿真结果(位移量正负仅表示方向)。对比绝对值可知,无副底板结构最大形变量2.73×10-5；增加副底板后,最大形变量1.65×10-5,输出镜和全反镜在Z方向位移量绝对值减小,即增加副底板结构,谐振腔形变减小,失调性大幅度改善。

图2 谐振腔Z方向形变量分析Fig.2 Analysis of Z direction shape variables of resonator

对比分析图3(a)、(b)两图左侧仿真结果。对比绝对值可知,无副底板结构YAG棒最大形变量1.69×10-5；增加副底板后,最大形变量1.86×10-5,YAG棒Y方向位移量绝对值增大,即增加副底板结构,光轴偏移略有增大。

图3 YAG棒Y方向形变量分析Fig.3 Analysis of Y-direction shape variable of YAG rod

3.2 实验结果

在理论仿真的基础上,将两种不同结构的激光器用力矩扳手先后装入同一整机。首先测量初始光轴和光斑,而后放入高温箱,温度梯度3 ℃/min线性升温,升温至65 ℃保温2 h后恢复常温,测量光轴和光斑。

对比分析图4、5可知,无副底板结构的激光发射机在高温试验后,光斑形变较大；有副底板结构的激光器光斑基本保持一致,表明增加副底板结构可以有效的降低谐振腔的失调度。但是通过图6可知,其光轴略有偏移。

图4 无副底板结构高温前后光斑对比Fig.4 Comparison of light spot before and after structuralenvironmental test without auxiliary floor

图5 有副底板结构高温前后光斑对比Fig.5 Comparison of light spot before and afterstructural environmental test with auxiliary floor

图6 有副底板结构高温前后光轴变化Fig.6 Changes of optical axis before and after hightemperature with auxiliary floor

4 结 语

本文通过仿真和实验,对比分析副底板结构对谐振腔和光轴稳定度的影响。增加副底板结构可大幅度降低激光器谐振腔的失调度,但是光轴稳定度略有降低。通过优化设计,比如增加副底板的强度、增加副底板与谐振腔接触面积以及增加螺钉的跨度等方法,尽可能实现保证光轴稳定度。