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    摘要:激光系统仿真技术是指仿真技术与激光工程技术相结合,为激光系统及激光器的设计分析、技术风险预估、复杂环境模拟及性能评估等提供理论验证手段和模拟平台。激光系统仿真技术包括系统仿真与建模技术,多物理场耦合的总体仿真技术等。本文结合实际研发的几款高稳定产品,分别从宽温适应性研究、力学性能稳定性分析及系统建模仿真研究三个方面,阐述激光系统仿真技术在产品研制过程中的重要作用,并实验验证了仿真结果的可参考性和正确性。

    一、引言

    当前的经济和科学技术处于快速发展状态,全球化市场竞争异常激烈,产品更新迭代非常快。面对无法预测和持续的市场需求,企业为了满足和适应市场竞争环境,必须增加和迭代产品的类型,更新设计方向,缩短产品研发周期、降低产品成本,提高产品的稳定性和可靠性,以响应快速多变的市场和技术需求。这样才能够从市场竞争中脱颖而出,获取市场的份额和利润。

    现代化激光系统设计存在很多技术重难点,应用场景也非常复杂,需要非常多的实验数据或分析验证数据才能够设计高质量产品。传统设计凭借手册、经验公式和繁杂的实验结果已经不能满足新型的激光系统的需求,而利用激光系统仿真技术对动态或繁杂的参数进行设定和充分模拟分析,根据分析结果不仅优化设计方案,更提高设计质量和风险预判。与传统设计相比,仿真技术的应用能够缩短周期、减少繁杂的试验次数、降低成本、减少人力及物力投入。

    二、宽温适应性研究

    激光器宽温工作时的散热问题一直是研究的热点,包括光学元件散热、芯片散热等。温度升高或降低势必引起激光器性能下降,要使激光器一直处于良好的温度环境必须对热量大的器件强制散热。目前,散热方式主要包括传统散热方式(平板热沉散热、大通道水冷散热、散热齿散热等)和新型散热方式(微通道散热、热管散热、半导体制冷散热、喷雾散热和相变散热等),无论使用何种散热方法,原则是在满足性能的情况下,选择最简单有效的方式,尤其是针对机载或航天应用的激光系统,不仅要求散热效果好,更需具备体积小、功耗低等特点。声光调Q微脉冲全固态激光器(AOML 100/500/1000)是一款高稳定性产品,如图1-1所示。典型应用于大气颗粒物激光雷达的配套光源,用于实时监测大气环境变化。b2179b9a419dcf21976927b0b6ba9634.png1-1  声光调Q微脉冲全固态激光器该款产品主要技术难点在于系统在约50W废热的情况下保证宽温条件(-20~60℃)稳定工作,且要求体积小、功耗低,这样就限制了水冷等大型或复杂散热方式。根据技术指标及应用场景分析,选择半导体制冷及风扇冷却方式。半导体制冷器件根据热功耗及控制温度选型,散热方式则利用风扇加散热齿形式。我们应用仿真软件能够对散热齿进行建模,根据流体仿真快速优化风扇流速大小及散热齿的形态(大小、齿厚、齿距等),图如1-2所示。540bea5b46dd5b5243fae00f29e79866.png1-2 流体仿真优化齿形、大小、齿厚、齿距及风扇风速根据得到的最优散热齿形态及风扇流速,结合激光器的热功耗,对整个激光器进行流热耦合,优化散热齿位置、风扇进风口和出风口大小,可以得到不同温度梯度。如图1-3所示,这是最终能够满足指标要求的方案,根据仿真结果可以看出整体结构完全达到-20~60℃宽温工作条件。49af885e99d5c802171c5b7636681470.png1-3 优化温度梯度(流热耦合)在产品研发阶段和设计阶段,我们运用流体仿真、热力学仿真及流热耦合仿真分析不仅能够快速精准分析优化问题,还确定了设计方案,减少了试验次数,仅在散热控温方面做了一次实验,如图1-4所示。从实验数据可以看出此方案是可行的,该实验也从侧面验证了仿真分析结果正确性。1dce3dcca0391871150289ef9d477a60.png1-4 实验验证散热方案设计可行性利用仿真与试验相结合的办法很好地解决了宽温工作技术难点。整机在高低温测试结果如图1-5所示,完全能够满足技术要求,甚至高于技术指标的宽温要求。后期产品经历一年多的外场测试,如图1-6所示,测试结果良好,实现了产品的稳定可靠。4ae737ece52dd8e0ec8fe01fb9dbbc43.png1-5 整机高低温测试结果ba0f438f6d937af81461379339859d4f.png1-6 外场测试图片三、力学性能稳定性分析力学性能主要分析不同环境中,整体系统结构刚度、强度、抗振性及稳定性的情况,涉及到系统建模、多学科多物理场耦合分析及优化分析等,依靠仿真手段进行验证,降低激光器在使用中的风险,结合实验数据进一步修正仿真模型,进行更加充分的仿真验证,提高产品设计质量,快速研发高技术指标及复杂应用环境下的可靠稳定激光器。以一款实际应用的激光器为例,激光器主要技术难点在于需要正反安装使用,要求重力引起的形变影响较小、低气压环境下需要良好的密封性、振动环境恶劣以及良好散热功能,该系统不允许对壳体使用水冷散热,只能利用热传导将热量快速带走,对光学和结构设计要求非常高。首先对该激光器进行重力变形分析,有限元模型如图3-1所示。在满足刚度和强度条件下,通过优化重力引起的形变优化内部重量分布。最终得到最优减重模型,正反安装时,重力对腔平面引起的变形都小于1微米,由此可见该结构重力变形基本没有影响。e9ebc13ff46a02b1a677a3d121f3976c.png图3-1 重力施加方向6175792175fcd9ea58b6ab65eb4eeab0.png图3-2 整机对应变形14226869c4b8395edbb483754fbdd9421.png图3-2 整机对应变形2其次,根据动力学分析,可以优化系统结构的约束位置和弹性脚的设计方式。避免出现共振等情况,在进一步利用谐响应分析获取特定载荷下所激发出的固有频率和薄弱部位,得到整个过程中结构响应,进一步优化。经过多次仿真,最后安装脚设计成一个弹性安装脚和两个刚性安装脚,约束为三角形式固定。整机固有频率如图3-33-4所示。36d9c039d6b09b38c7e228afe0df02b4.png图3-3 一阶模态0f544c71d3f760abd7d60a5ec46817d3.png图3-4 前六阶模态最后,对该激光器进行热力学分析,通过温度分布和光轴变形计算可以优化光学设计方案。整机主要三个晶体的热量较高,分别为5W20W20W,如图3-5所示,其热量对整个光学影响较大。根据温度梯度和光轴变形,优化了光学设计,提出两种光学方案,一种利用高传导性能的热管,一种是将高热量的元件靠近冷面,如图3-63-7所示。从结果可以看出,两种方案均可以将热量散去,保证光学稳定性。2d8f63bc1399abc88abc283e95866bfa.png3-5 热量分布e0740ac7fbf74adea71067ef0caa0a6c.png3-6 壳体温度梯度56c2884be1a4ad64e2627724b98ba9c9.png3-7 温度变化引起光轴变形分析在设计过程中,我们还对壳体的厚度进行了优化分析,优化结构使得整个激光系统更加稳定可靠。优化分析主要包括以下几个方面:A.目标函数:即系统设计的目标,一般有质量最小、刚度大、固有频率大、形变小、温度等;B.优化空间:即优化变量取值范围,如结构尺寸,材料参数、局部形状、结构形状和整体拓扑优化等;C.约束条件:即结构尺寸范围、体积、质量、最大变形量、最小变形量、应力等。对壳体厚度和盖板厚度进行优化分析,保证在工作条件下最佳厚度。优化条件为上下壳体壁厚为10mm,优化范围为5mm~15m,壳体腔内安装面的厚度为15mm,优化范围为10mm~25mm。优化结果为壳体总的最大变形最小化。其优化模型、目标函数、优化空间及约束条件如图3-8所示。下面以施加腔内低气压环境和重力影响为边界条件,从结果3-9得出壳体腔内安装面厚度10~25mm厚度影响不是很大,而上下侧壁厚度影响较大,优值基本上在12mm左右,其影响基本上也处于1微米以下,所以根据以往实际经验,取整数12mm。变形结果如图2-10所示,其最大变形为4.7微米,均在可接受范围内。866a625b7716c8b5696042b75772fbe7.png3-8 有限元模型及相关约束条件f27816ec6d66ff8691a4d9d0d17529dc.png3-9 三者在区间范围内厚度变化影响836a90f6ebd4fa98bf8dc7122d7b9f64.png3-10 结构变形四、系统建模与仿真激光系统建模与仿真对于系统方案设计至关重要,从理论上决定了该系统是否正确可行。下面将结合一款稳定、可靠的水下无线光通信产品进行介绍,如图4-1所示,主要用于水下无线高速数据传输、交互、收集及控制等。b53cb81a457971e9919863230917d448.png4-1 水下无线光通信产品该产品工作环境为深海2000米以内,通信速率大于10Mbps,通信距离大于150米,对整个系统的设计要求高。下面简单介绍前期系统建模仿真及关键技术仿真在系统中的应用。利用相关软件对整个激光通信链路进行仿真,验证了方案可行性,后续对整个系统存在的技术风险进行模拟仿真,其中包括算法可行性仿真,结构密封性能仿真,最后与实验相结合,验证仿真的正确性。我们利用蒙特卡洛方法对该通信系统进行建模,通过对发射和接收之间的距离仿真,得到激光系统最远通信能力,如图4-2所示。34c028e968fdf2939ab5756d2f0f7630.png4-2 系统数学方法建模及仿真海水与接收距离的关系软件通信链路仿真是保证整个通信能否稳定可靠运行的关键之一,整体软件的仿真验证了软件算法的可行性,如图4-3所示。93a106d0f1d89e98a22be193e7bc25d3.png4-3 软件时序仿真密封圈的选型非常重要,激光系统密封圈常用的有硅橡胶、氟橡胶、丁腈等,这类材质的工作温度都很广泛。其中,丁腈材料使用温度范围为-30℃~110℃,氟橡胶材料使用温度范围-20℃~220℃,硅橡胶一般使用温度为-60℃~220℃。这类材质都有不同的硬度。在不同的工作条件下选择不同材质、线径大小、硬度等都有着非常严格的要求。利用非线性仿真分析,对选型密封圈的材质,密封圈线径大小,密封槽的设计起到了重要作用。该产品工作环境为深海2000米,其中最重要一点就是水下密封。2000米深海其压强在约20MPa左右。利用有限元软件对密封结构进行建模,约束和施加对应的水压≥20MPa,如图4-4所示。8a53f47d2e4b51a1a8019f99d8a0f4b0.png4-4 有限元模型及边界条件分析结果如图4-54-6所示。图4-5说明该密封圈在24MPa的压力下能够收敛,说明密封圈的接触压力大于渗透压力。图4-6可以看出密封圈最大接触压力为33MPa,而渗透压力为24MPa,接触压力大于渗透压力,且余量为7MPa,说明在此渗透压力下完全能够密封。0b118b48ad5efc7731cffd835105130f.png图4-5 非线性收敛abd3117cb3f5f8e2661bd75fbbbaba29.png4-6 密封圈最大接触压力最后对整个系统进行了通信实验如图4-7所示,实验数据显示在通信距离适中,且水质较好时,接收到的数据为零误码,验证了仿真的正确性和重要性。c026ba593e2f62ec4699aac590f50795.png4-7 实验及数据对比五、总结以上仿真技术的应用都是结合南京先进激光技术研究院全固态中心工程化激光系统,根据不同的技术指标及使用环境应用不同的仿真技术,配合相关实验,提高了激光系统产品的稳定性和可靠性。

    作者简介:李冬冬,中国科学院大学硕士,现就职于南京先进激光技术研究院先进全固态研发中心。主要从事方向为激光精密仪器设计及仿真技术研究。


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多物理场耦合模拟及分析