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会 签第 页格式14 0 01 0 01 03 0 03 0 02 54 0R 241 3R 4246 0R 52 03 9 0 0 . 13 6 0 0 . 11 3 0 0 . 12 3 7 0 . 19 4 . 50 . 17 1 . 50 . 11 3 0 0 . 11 58 01 032 7 2+ 0 . 1- 0 . 192 9 1 0 . 13 8 7 0 . 1( 旧底图登记号)( 底图登记号)( 签字、日期)版本号密级北华航天工业学院6 0 6 1 - T 6电路部分标记更 改 单 号 签字、日期设计校对阶段标记重量比例审核标审0 . 5 0 0工艺批准共 1 页 第 1 页技术要求1 . 棱边倒钝2 . 所有未标注的倒角均为R 33 . 机械加工线性和角度尺寸的未注公差按G B / T 1 8 0 4 - 2 0 0 0 - m4 - n 8 - x 7 02 - M 2 . 5 x 64 - n 5 通孔4 - n 6 通孔4 - 4 2 阵列 格式1 版本号 密级 400 100 300 80 25 4-42阵列 2 4 13 R2 R4 4 40 3 10 3870.1 2910.1 1300.1 20 15 4-n5通孔 4-n6通孔 4-n8-x70 10 2-M2.5x6 +0.1 272 71.50.194.50.1 300 2370.1 -0.1 技术要求 1.棱边倒钝 2.所有未标注的倒角均为R3 3.机械加工线性和角度尺寸的未注公差按GB/T1804-2000-m 会 签 R5 1300.1 9 60 3600.1 3900.1 北华航天工业学院 6061-T6 标记更 改 单 号签字、日期 电路部分 设计 校对 阶段标记 重量比例 0.500 审核 标审 共 1 页 第1 页 工艺 批准 第 页 会 签第 页格式12 4 0+ 0 . 1- 0 . 12 01 3 5 $3 8 52 8 01 1 2 . 551 6 00 . 6R 6 3 . 5R 4 9 . 71 1+ 0 . 1- 0 . 11 0+ 0 . 1- 0 . 11 1 2 . 5R 33 0+ 0 . 1- 0 . 1R 3( 旧底图登记号)( 底图登记号)( 签字、日期)版本号密级6 0 6 1 - T 6 椭圆光纤跑道标记更 改 单 号 签字、日期设计校对阶段标记重量比例审核标审0 . 5 0 0工艺批准共 2 页 第 1 页全部技术要求1 . 机械加工线性和角度尺寸的未注公差按G 尺寸的未注公差按G B / 1 8 0 4 - 2 0 0 0 - m2 . 棱边倒钝3 . 未标注倒角均为R 3查看细节 A初始直径为4 9 . 7 的螺旋槽，槽深0 . 6 ，长度方向为2 0 0 ，共1 2 环4 - n 3 . 2 通孔6 4 - M 2 通孔细节 A比例 2 . 0 0 03 . 2会 签第 页格式1( 旧底图登记号)( 底图登记号)( 签字、日期)版本号密级椭圆光纤跑道标记更 改 单 号 签字、日期设计校对阶段标记重量比例审核标审0 . 5 0 0工艺批准共 2 页 第 2 页 格式1 版本号 密级 3.2 全部 385 160 112.5 20 +0.1 R3 10 -0.1 R3 4-n3.2通孔 +0.1 11 -0.1 R63.5 初始直径为49.7的螺旋槽，槽深0.6， 查看细节A 0.6 长度方向为200，共12环 +0.1 280 240 -0.1 R49.7 135$ 64-M2通孔 细节 A 比例 2.000 会 签 112.5 +0.1 30 -0.1 技术要求 2.棱边倒钝 3.未标注倒角均为R3 5 6061-T6 标记更 改 单 号签字、日期 椭圆光纤跑道 设计 校对 阶段标记 重量比例 0.500 审核 标审 共 2 页 第1 页 工艺 批准 第 页 格式1 版本号 密级 会 签 标记更 改 单 号签字、日期 椭圆光纤跑道 设计 校对 阶段标记 重量比例 0.500 审核 标审 共 2 页 第2 页 工艺 批准 第 页 会 签第 页格式12 04 0 01 3 05 351 0 07 21 22 02 82 0244 02 551 83 03 0 055852 07 25 53 7 0 0 . 13 9 0 0 . 12 4 0+ 0 . 1- 0 . 1R 1 02 9 0 0 . 12 6 0 0 . 12 4 0 0 . 11 4 0 0 . 11 5 0 0 . 11 6 0 0 . 12 4 0 0 . 12 3 0 0 . 0 18 0 0 . 0 11 82 01 03 6 . 9 $3 6 0 0 . 1R 57 02 1 . 2 40 . 23 2 05 3 . 3 30 . 35 0R 384 02 04 0( 旧底图登记号)( 底图登记号)( 签字、日期)版本号密级北华航天工业学院 6 0 6 1 - T 6 光路结构标记更 改 单 号 签字、日期设计校对阶段标记重量比例审核标审0 . 5 0 0工艺批准共 1 页 第 1 页全部技术要求1 . 机械加工线性和角度尺寸的的未注公差按G B / T 1 8 0 4 - 2 0 0 0 - m2 . 棱边倒钝查看细节 A细节 A比例 2 . 0 0 03 . 2 格式1 版本号 密级 300 3.2 2900.1 全部 400 2600.1 3900.1 3700.1 2400.1 1400.1 18 40 18 20 R10 8 10 53 20 130 20 5 36.9$ 5 25 100 查看细节A 800.01 3600.1 1500.1 1600.1 2300.01 2400.1 40 72 72 20 技术要求 5 55 1.机械加工线性和角度尺寸的的未注公差按GB/T1804-2000-m 12 70 2.棱边倒钝 30 40 20 会 签 +0.1 240 -0.1 53.330.3 320 4 8 2 细节 A 28 21.240.2 比例 2.000 20 50 R3 R5 5 5 北华航天工业学院 6061-T6 标记更 改 单 号签字、日期 光路结构 设计 校对 阶段标记 重量比例 0.500 审核 标审 共 1 页 第1 页 工艺 批准 第 页 会 签第 页格式12 51 3 04 56 0 $1 7 01 2 08 . 4+ 0 . 1- 0 . 13 0 51 3 9+ 0 . 1- 0 . 1R 557+ 0 . 1- 0 . 1( 旧底图登记号)( 底图登记号)( 签字、日期) 北华航天工业学院6 0 6 1 - T 6 圆跑道光纤盘标记更 改 单 号 签字、日期设计校对阶段标记重量比例审核标审M 1 . 0 0 0工艺批准共 1 页 第 1 页全部技术要求1 . 机械加工线性和角度尺寸的未注公差按G 尺寸的未注公差按按G B / 1 8 0 4 - 2 0 0 0 - m 。2 . 棱边倒钝。3 . 未标注倒角均为R 5 。3 - n 3 . 2 通孔初始直径1 0 0 的螺旋槽，槽深0 . 6 ，宽0 . 6 ，共3 0 环，槽间距为11 4 - M 2 通孔4 - R 1 03 . 2 格式1 3.2 全部 130 4-R10 R5 60$ 3-n3.2通孔 +0.1 8.4 -0.1 14-M2通孔 120 +0.1 139 170 -0.1 +0.1 初始直径100的螺旋槽，槽深0.6， 7 -0.1 宽0.6，共30环，槽间距为1 会 签 25 45 305 5 技术要求 1.机械加工线性和角度尺寸的未注公差按G尺寸的未注公差按按GB/1804-2000-m。 2.棱边倒钝。 北华航天工业学院 3.未标注倒角均为R5。 6061-T6 标记更 改 单 号签字、日期 圆跑道光纤盘 设计 校对 阶段标记 重量比例 M 1.000 审核 标审 共 1 页 第1 页 工艺 批准 第 页 会 签第 页格式2底部_ 3底部_ 34 0 02 6 03 0 03 0 02 28 71 1 02 1 3+ 0 . 1- 0 . 13 9 0+ 0 . 1- 0 . 13 6 0+ 0 . 1- 0 . 13 7 0+ 0 . 1- 0 . 12 9 0+ 0 . 1- 0 . 12 7 2+ 0 . 1- 0 . 12 6 0+ 0 . 1- 0 . 1版本号( 旧底图登记号)( 底图登记号)( 签字、日期)北华航天工业学院铝2 A 1 2 - T 4G B / 3 8 8 0 . 1 - 2 0 0 6 装配图标记更 改 单 号 签字、日期设计校对阶段标记重量比例审核标审 M1 . 0 0 0工艺批准共 2 页 第 1 页1合束器16 0 6 1 - T 61椭圆光纤盘22隔离器36 0 6 1 - T 61圆光纤盘 41剥离器51光路封盖61小合束器72小L D 81风扇盖93风扇1 040 # 电路板1 111 # 电路板1 21Q 驱动1 3材料 数量名 称 序号 1电路部分1 4 3放大L D1 5 1光路部分1 6 1电路封盖1 7备注全部技术要求1 . 机械加工线性和角度尺寸的未注公差按G B / T 1 8 0 4 - 2 0 0 0 - m2 . 棱边倒钝3 . 所有未标注倒角均为R 3123456791 01 11 21 31 41 51 681 73 . 2会 签第 页格式2版本号密级( 旧底图登记号)( 底图登记号)( 签字、日期) 格式2 版本号 3.2 4 全部 3 2 5 1 300 6 16 7 8 15 9 +0.1 213 -0.1 87 110 底部_3 底部_3 22 10 14 17 13 12 11 400 +0.1 390 -0.1 +0.1 370 -0.1 +0.1 360 -0.1 +0.1 +0.1 +0.1 300 290 272 260 260 -0.1 -0.1 -0.1 17 电路封盖 1 会 签 16 光路部分 1 15 放大LD 3 14 电路部分 1 技术要求 13 Q驱动 1 12 1#电路板 1 1.机械加工线性和角度尺寸的未注公差按GB/T1804-2000-m 11 0#电路板 4 10 风扇 3 2.棱边倒钝 9 风扇盖 1 8 小LD 2 3.所有未标注倒角均为R3 7 小合束器 1 6 光路封盖 1 5 剥离器 1 4 圆光纤盘 1 6061-T6 3 隔离器 2 2 椭圆光纤盘 1 6061-T6 1 合束器 1 备注 序号 名 称数量材料 北华航天工业学院 铝2A12-T4 标记更 改 单 号签字、日期 装配图 GB/3880.1-2006 设计 校对 阶段标记 重量比例 M 1.000 审核 标审 共 2 页 第1 页 工艺 批准 第 页 格式2 版本号 密级 会 签 第 页 北华航天工业学院毕业论文毕业设计报告(论文)报告(论文)题目：脉冲激光器的结构设计与仿真作者所在系部： 作者所在专业： 作者所在班级： 作 者 姓 名 ：张凯伟 作 者 学 号 ： 指导教师姓名： 完 成 时 间 ： 北华航天工业学院教务处制北华航天工业学院毕业论文摘摘 要要光纤激光器是以传输光纤为介质，掺杂稀土元素活性离子作为介质而构成的一类激光器，是一种新型高性能全固态激光器，具备输出光束质量好、转换效率高、散热好、可靠性高、易于集成等明显优点，目前，成为全面提升现有传统激光器功能和掀起激光产业技术改革的先锋和领航者，在诸多领域具备广泛使用前景。本文主要对 100W 脉冲激光器结构和激光器温度控制的研究，应用于激光清洗、激光加工系统、激光损伤系统，采用叠板结构设计，即光路和电路，电路模块外接 24V 恒流源接口，使用 DB25 针接口与计算机通信，光路模块通过高稳定度窄脉宽调 Q 脉冲种子源，经两级放大空间，达到 100W 脉冲输出。具体工作内容如下：首先，分析脉冲激光器的设计组成和工作原理，对不同的产热部位、产热机理和热分布规律研讨，选用风扇冷却方式。其次，在三维绘图软件 Pro/E 中建立结构的模型及装配，在 Ansys workbench 中导入模型，建立模态分析、网格划分，进行热仿真和振动仿真，分析风冷的散热效果。最后，对仿真结果进行记录，比对元器件最高承受的温度，以及光纤盘安全工作的温度，真实反映散热措施的散热效果。关键词：脉冲激光器 结构 有限元 热仿真 振动分析北华航天工业学院毕业论文AbstractFiber 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 outputThe 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 北华航天工业学院毕业论文目目 录录摘 要.IAbstract .II目 录.1第 1 章 绪论.11.1课题背景.11.1.1来源.11.1.2背景.11.2国内外研究情况.21.3 本文主要研究内容.2第 2 章介绍基本原理.42.1光纤激光器的原理.42.2高稳定度窄脉宽调 Q 种子脉冲技术原理.42.3光纤调 Q 激光器的光路结构.52.4结构设计理论基础.52.4.1机械结构设计创新设计的重要性.52.4.2结构设计的基本条件和要求.62.4.3结构设计特点.62.4.4结构设计基准和设计准则.62.5热仿真原理.62.5.1热源和热阻.72.5.2热损伤.72.5.3热传递方式.72.5.4稳态传热.82.5.5热控制方法.82.5.6本章小结.9第 3 章脉冲激光器结构设计.103.1光路结构.103.1.1各部分拟采用的器件参量及相应的输出指标.103.1.2光路模块结构设计.113.1.3光路模块装配.123.1.4散热齿片的设计.12北华航天工业学院毕业论文3.2电路部分.133.2.1控制及电路模块主要完成内容.133.2.2电路部分工作过程.133.3结构热源的依据.143.3.1电路部分热量.143.3.2电路部分热量.143.4结果.153.5改进及评估.15第四章热分析.164.1脉冲激光器元器件热源依据.164.2风扇的对流换热系数.164.3建立立热学仿真模型及分析.174.4热仿真结果.184.5结果.22第五章脉冲激光器振动仿真.235.1振动仿真原理.235.2建立分析模型及振动仿真.235.2.1模型的简化和导入.235.2.2设置材料.235.2.3划分网格.235.2.4模态分析.235.2.5结果分析.245.3结论.24致谢.25参考文献.26北华航天工业学院毕业论文第第 1 章章 绪论绪论1.1课题背景1.1.1来源本课题来源于中国航天第九研究院十三所得创新项目“高能窄脉宽脉冲光纤激光器关键技术研究” 。1.1.2背景光纤激光器是近几年发展起来的一种新型的激光器，和早先就技术成熟的固体和气体激光器相比较，表现出良好的散热功能，较强的环境适应性，较高的电光转换效率，较低的功耗和简易的结构，已经在工业加工、通信、医疗、化工和航空领域得到了广泛的使用。近年来光纤激光器在科研、军事和民用方面的应用前景越来越普遍，尤其是脉冲激光器技术已经成为激光技术领域的一个重要课题和研讨对象。光纤激光器是近几年发展起来的一种比较新型的激光器，和早先就技术成熟的固体和气体激光器相比较，表现出良好的散热性能，较强的环境适应性，较高的电光转换效率，较低的功耗和简单的结构，已经在工业加工、通讯、医疗、化工和航空领域得到了广泛的应用。近年来由于光纤激光器在科研、军事和民用方卖弄的应用前景越来越广泛，尤其是脉冲激光器技术已经成为激光技术领域的一个重要课题和研究对象。光纤激光器一般有连续和脉冲两种工作形式。随着各种特种光纤研制及光束合成技术的成熟，脉冲激光器得到的很大的发展。脉冲激光器在激光切割、激光焊接、激光涂覆等民用领域；在军事领域，近年来发展的基于光纤激光的激光武器系统是高功率连续波长纤激光器重要应用之一。脉冲激光器已经广泛应用于激光加工、激光打标、激光清洗等；在高功率大脉冲能量的光纤激光器具有极好的损伤效果，用于构建脉冲型激光武器系统，能对特种材料进行有效的打击，且比连续波激光武器系统耗能更少；在航空领域，紧凑高效的高能光纤脉冲激光器在空间碎片清理、激光推进和激光雷达等领域极具应用潜力。总之，发展高能窄脉宽光纤激光器具有广阔的市场化和军事应用前景。随着对激光器功率的要求越来越高，其较大面积和体积，已经不能满足散热要求。大量的热积累会对关键的功率器件造成热损伤，甚至影响光纤激光器性能和系统。因此就需要采用有效的热控技术对高功率光纤激光器其进行散热处理，以满足安全使用要求，本文以 100W 脉冲激光器为研究对象，根据脉冲激光器关键功率器件的散热机理，利用风扇冷却散热原理，进行结构优化设计，发展高功率小型化风冷脉冲光纤激光器。北华航天工业学院毕业论文1.2国内外研究情况鉴于高能脉冲光纤激光器在各个领域的广泛应用，国内外许多研究机构和公司对其进行研发。早在 2002 年，Limpert 等人实现了重复频率为 50kHz，脉宽为 90ns，平均功率为100W 脉冲激光器输出。上海光机所实现了重复 100KHz，脉宽为 400ns，平均功率为133.3W 光纤脉冲激光器输出。2011 年，德国研究人员采用大模场光子晶体光纤，实现了平均功率为 130W，重复频率为 5kHz，脉宽为 65ns，单脉冲能量为 26mJ 的 Q 开关光纤激光器。2013 年，南普顿大学研究人员采用多级 MOPA 放大，报道了输出功率为 265W，脉宽为 500ps-500ns 可调，重频 1HZ-1MHz 可调的脉冲光纤激光器。2014 年，天津大学研究人员采用二级 MOPA 放大，实现了脉宽为 100kHz，平均功率为 300W 脉冲激光输出。除了高校和研究所对高能窄脉宽光纤激光器投入研究外，许多公司相继发展高能窄脉宽光纤激光器，迄今为止，国内脉冲光纤激光器主要厂家包括深圳创新、武汉锐科和山东海富，其脉冲激光器主要产品为 10W、20W、30W、和 50W，百瓦级实验室已经实现，但还未达到市场成熟产品状态，而国外光纤激光器巨头 IPG 高功率脉冲激光器成熟的产品种类有 100W、100-500W、4000W 档次。对比国内外脉冲激光器可见，我国在高功率脉冲激光器方面，尤其是 300W 以上脉冲激光器几乎是空白，因此有必要大力发展高功率脉冲激光器。1.3本文主要研究内容本文根据 100W 脉冲激光器产品研发需求，详细介绍了产品设计方案，论述了脉冲激光器调 Q 原理和结构设计原理，针对使用环境和散热需求，进行了热仿真和振动仿真，对于 100W 脉冲激光器采用了风扇冷却的方式，主要研究内容如下：（1）引荐本文课题的起源、背景，通过查阅资料了解了国内外脉冲激光器的研究现状，（2）分析脉冲激光器系统的设计组成和工作原理，对不同的产热部位进行产热机理和热分布规律研究，搭建相应的产热数学模型，分析了热效应对不同的关键功率器件的性能影响。针对地面和空间的不同工况条件，选用风扇冷却的热控技术对激光器进行散热。（3）在三维绘图软件 Pro/E 中建立结构的模型，在 ansys workbench 中建立激光器壳体结构有限元热仿真，设置相应的条件进行研究，分析散热效果的影响。北华航天工业学院毕业论文（4）对仿真结果进行记录，比对元器件最高承受的温度，以及光纤盘安全工作的温度，真实反映散热措施的散热效果。北华航天工业学院毕业论文第第 2 章章介绍基本原理介绍基本原理2.1光纤激光器的原理光纤激光器与传统激光器一样，都是由泵浦源、增益介质和光学谐振腔三部分构成，其原理图如下图 2-1 所示需改进，泵浦源大多数情况下采用半导体激光器（LD） ，采用的 LD 输出波长 976nm，经合束器将多个 LD 输出的短波长的激光耦合到一根有源光纤中，再通过融合技术使激光传输到增益介质（有源光线）中。增益介质为掺杂有稀土元素鐿的光纤，不同的稀土离子（Nd3+、Yb3+、Er3+、Tm3+）不同波长激光照射下可得到不同波段的激光，本激光器采用的是掺杂有 Yb3+的有源光纤，其输出的激光的波长为 1080nm。谐振腔由可以提供正反馈的光学器件如光功率剥离器、光纤合束器、光纤光栅等组成。泵浦光在增益介质和谐振腔的作用下，最终由短波长低亮度的泵浦光形成长波长高亮度的稳定激光输出。图 2-1光纤激光器组成结构和产热图2.2高稳定度窄脉宽调 Q 种子脉冲技术原理具有高稳定度的调 Q 种子脉冲源是获得更高功率脉冲激光器基础，因此需对其进行细致深入的设计与优化。当声光 Q 开光关闭时，谐振腔内具有较大损耗和较低 Q 值，此时激光振荡阀值高，上能级的反转粒子数大量积累；当声光 Q 开光打开时，谐振腔内具有较小的损耗和较高的 Q 值，此时激光振荡迅速建立，腔内以极快速度建立起极强的振荡，在短时间内反转离子数被大量消耗，转变为腔内光能量并通过耦合镜输出一个极强的巨脉冲。光纤型脉冲激光器输出脉冲宽度和能量及脉冲稳定度与激光器泵浦功率、腔内光纤长度、掺杂光纤浓度及各个器件的插入损耗相关，因此需对激光腔内各个器件进行优化设计。北华航天工业学院毕业论文2.3光纤调Q激光器的光路结构 100W 脉冲激光主光路模块由调 Q 脉冲种子源、预防大、主放大三部分，光路结构如图 2-2。LD1AOMYDF10/130合束器YDF10/130CPSYDF30/250ISO激光输出LRHRLD2LD3LD4LD5端帽ISO图2-2100W 脉冲激光器光路图为了满足光纤脉冲激光器具有 100W 功率输出，光路采用种子源加两级放大的方案，种子源采用调 Q 脉冲种子源，由反射光栅、10/130 掺杂光纤、声光调制器、输出光栅组成。光纤调 Q 种子脉冲源采用（2+1）1 合束器端泵方式。种子源和一级放大之间用在线隔离器隔离开，防止放大级对种子脉冲源产生影响。一级放大由（2+1）1 合束器和 10/130 掺杂光纤，经 CPS 剥离泵浦光后，采用 100W 空间隔离器作为激光输出。2.4结构设计理论基础结构设计的工作是在总体设计的基础上，依据所确定的原理计划，确定并绘出详细的结构图，以体现出要求的功能。将抽象的原理具体转化为某构造或零部件，具体内容为在确定结构的材料、形态、尺寸、公差、热处理、和外表状况的同时，还需考虑其加工工艺、强度、刚度、精度以及与整体彼此之间等联系，所以结构设计的产物虽然是技术图纸，但结构设计不是简单地机械图纸，图纸只是表达设计计划的方式，综合技术的详细化是结构设计的具体内容。2.4.1机械结构设计创新设计的重要性随着社会经济的进步，机械制造技术发展也极为迅速，并且，机械制造是我国主要生产行业之一，对推动我国经济发展有着极大推进的作用。然而，我国作为一个机械制造大国，在机械构造设计上却还未完善，很多机械制造都是仿造发达国家的机械设计工艺来生产的，尽管一些机械结构设计也发生了改动，而从本质上却仍然没有太大的变化，自主创新设计不足，始终援用技术会形成我国的机械结构设计会随着发达国家走，不能将其真正的跨越，我国作为一个经济大国、机械制造大国，不可仅将眼光停留在机械的北华航天工业学院毕业论文制造中，更应将目光放在结构设计的创新上，同时，还要注重机械结构设计创新人才的培育，这才是机械结构设计创新发展的关键。2.4.2结构设计的基本条件和要求进行结构设计必须清楚了解对结构设计的全部要求和条件，具体如下：（1） 功能要求，结构设计的系统应具有的功能及其各主要部分应具有的分功能，总体和各部分的性能参数。（2）使用者和使用的环境环境影响。环境中的尘埃和砂石、湿度、温度、辐射、电场、磁场。使用者的技术熟练程度。2.4.3结构设计特点结构设计的主要特点有:（1）它是集思索、绘图、计算于一体的设计进程，是设计中遇到的困难最多、工作量最大的工作阶段，约占 80%工时，对设计的成败起着决定性作用。（2）结构设计的多解性，即满足同一设计要求的结构是有很多种的。（3）结构设计阶段是一个很重要的设计环节，经常需交叉的进行，为此在结构设计时，需要从整体出发以便满足基本要求。2.4.4结构设计基准和设计准则（1）明确功用。结构设计时依据要求，确定尺寸和结构形状，以及互相之间的配合，满足功能要求（2）功能合理性。产品设计时，依据需要，通常有必要将工作合理的分配，即一个功能分解为多个分功能，每个分功能有确定的结构承担，各部分结构之间有联系，以达到最后能得实现。（3）满足强度的设计原则。截面的变动应与其内应力变化相适应，使各截面强度都能在承受范畴之内。 2.5热仿真原理要进行设备及系统的耗能控制，必须熟悉系统内的热源、发热源由及热散布规律，明白热传递的形式和主次关系，选择合理的热控方案，及时将元器件的温升散走，确保元器件的常态工作。北华航天工业学院毕业论文2.5.1热源和热阻在各主要领域中，不同的元器件或设备均依拖电流与控制实现各种性能，设备在工作中，随着电流的增加，热源也会不断生产，热量的聚集也会越来越大，若不及时处理，其温度就会上升，直到损坏，若热流路径良好，设备温度会上升到一个稳固的平衡点，此时从设备带走的热量与设备产生的热量相等，以后温度会保持稳定不变。2.5.2热损伤（1）热损伤来源一般情况下，设备所承受的热损伤，主要来自于三个方面：1)设备在工作过程中，由于输入与输出的能量存在转换效率，即将一部分的电能转换成了热能。2)工作在同一环境中的其他发热体将热量通过热传导、热对流以及热辐射的形式传递了设备。3)在大气环境中，由于各方向上的摩擦导致的温升。（2）减少热阻的方法所以热设计的主要原则是在热源和用以消耗散热的周围环境之间，主动建立一条热阻较低的热流通道，将热量以最快的速度散走，减少热阻的方法有两个方面：1）控制元器件的内热阻，2）降低元器件或系统设备与外界环境间的外热阻。（3）控制设备热阻控制设备热阻可从四个方面入手：1）散热。借助气体或液体可流动的特性，采用自然对流或者强迫对流的措施，将设备的耗热带走。2）制冷。主要是对热源进行冷却的一种方式。一般情况下应采用固体升华和液体蒸发以及热电制冷等技术，将器件或者设备冷却至比周围环境还低的温度。3）恒温。主要是对热源的温度进行维持，保证在一特定值或者周围微小浮动，常用的是相变材料的潜热和热省得控温以及热电效应。4）传热。应用具有较高导热系数的材料或者采用热管导热的方式，减小器件和设备与周围环境的温差。北华航天工业学院毕业论文2.5.3热传递方式热传递的形式有三种：热传导，热对流和热辐射。在热设计中，这些传递方式一般都是同时进行。（1）热传导物体的各组成部分之间没有运动时，在微观上存在分子，原子核自由电子等的热运动导致的热量传送统称为热传导。热传导主要从微观和宏观两个方面体现，一个表现在物体内部，各部分之间存在温差引起热量从高温区域向低温区域传递，另一个表现在物体相接触时，具有较高温度的物体吧热量传递给温度相对较低的物体。傅里叶定律体现了热传导的规律，即在热传导时，单位步长时间内通过特定截面的热流量与垂直于该界面方向的温度变化率，以及该截面的面积成正比的关系。（2）热对流一般来说，对流换热通常表现为流体与固体表面热量传输现象。是借助流体在活动过程中互相热量的传递。按流体的流动的起因的差异，对流可分为自然对流换热和强迫对流换热两类。引起自然对流是由于各部分流体的密度存在差异，而强制对流则是借助外力（风机、水泵等）促使流体流动，按流态的不同可以分为层流和湍流两种如图 2-5所示。 层流 湍流图 2-3层流和湍流2.5.4稳态传热稳态传热是在传热系统中各点温度不随时间变化而变动，仅与取点的差异而不同。特点是流经传热面的热量在单位步长时间内为一个常量，也就是说热量达到一定值不再增加此时系统流入的热量和系统自身的产热量之和与流出系统的热量相等。 （2-1）0流出产生流入QQQ则系统稳定。北华航天工业学院毕业论文2.5.5热控制方法对于热定的元器件或者设备，知道了其产热量、几何参数、允许的最高温度等，根据传热方式的不同，绘制如图 2.5.5 所示的曲线，空空气气自自然然对对流流+辐辐射射强强迫迫空空气气冷冷却却碳碳氟氟化化合合物物浸浸没没自自然然对对流流碳碳氟氟化化合合物物相相交交冷冷却却强强迫迫水水冷冷60040020010080604020220.20.080.040.02108640.62010864表表面面热热流流密密度度2cmW温温升升 C图 2-4热控方式选择参照图分析上图可见，器件与周围间温差为 60时，自然对流和辐射换热的散热仅在热流表面密度小于 0.05W/cm2时候有效，但在强迫风冷对流换热使物体表面传热系数提高了大约一个数量等级，这种情况下在温升为 100是不能提供超过 1W/cm2的传热能力。为了促使从元件表面传输的热流密度，热设计应该在肋化空气冷却散热器和直接液冷之间做出选择，为了促进对流换热表面传热系数，可采用齿扇排列方案提高空气冷却效率。以便逐渐提高元件的热流密度。大多数器件和设备在散热过程中都不同程度上利用了热传导，热对流和热辐射三种传热方式，但在设计中往往只把一种传热方式作为主要方式。本课题的脉冲激光器采用的是第一类热传导。2.5.6本章小结本章主要对光纤激光器、电子设备的热设计原理及理论进行了分析，对结构设计的理论基础进行了阐述和说明，尤其是光纤调 Q 激光的光路结构，另外对光纤调 Q 原理进行了解释，最后对热仿真的原理进行了分析，为后续脉冲激光器的结构设计和热仿真提供了理论参考。北华航天工业学院毕业论文第第 3 章章脉冲激光器结构设计脉冲激光器结构设计100W 脉冲激光器整机系统由主光路模块、控制及电路模块、电源接口、控制接口、恒流源模块、泵浦源模块、散热模块、输出模块等组成。目前激光器总体尺寸为400300210mm。3.1光路结构首先，光路部分是脉冲激光器的最重要部分，由于种子源功率较小，功率不足够，所以光路设计采用光纤声光调 Q 种子源加二级 MOPA 放大方案，第一级为种子脉冲源，采用光纤声光调 Q 种子脉冲源，第二级为主放大，各放大级之间用在线隔离器进行隔离。3.1.1各部分拟采用的器件参量及相应的输出指标如下（1）调 Q 种子脉冲源实现指标：重复频率：20K-200K 可调；脉宽：100ns；输出平均功率：0.6-2W。技术方案：种子脉冲激光器采用腔外端面泵浦源，合束器为（2+1）1，泵浦源尾纤为 105/125 多模光纤，单臂承受功率大于 20W,信号光纤为 10/130 双包层光纤，泵浦LD 最大输出 15W；反射光栅和输出光栅中心波长都为 1064nm，其中反射光栅反射率R=99.9%；输出反射光栅反射率 R=10%,光栅尾纤为 10/130 双包层光纤；声光 Q 开光 20K-200K 可调，上升沿 50-150ns，损伤阀值大于 5W。（2）一级放大（预防大）实现指标:脉宽：120ns；输出平均功率：15W。技术方案：采用隔离功率大于 10W 的在线隔离器（ISO） ；合束器为（2+1）1，泵浦尾纤为 105/125 多模光纤，信号光纤为 10/130 双包层光纤，单臂承受功率大于30W，泵浦源采用 2 个最大输出功率为 225W 的 LD，增益光纤采用 10/130 双包层掺杂光纤，光线长度为 8-15m。北华航天工业学院毕业论文（3）二级放大（功率放大）实现指标：脉宽：150ns；输出平均功率：100W；技术方案: 采用隔离功率大于 20W 的在线隔离器（ISO） ；合束器为（6+1）1，泵浦尾纤为 105/125 多模光纤，信号光纤为 10/130。双包层光纤，单臂承受功率大于 50W，泵浦源采用 5 个最大输出功率为大于 50W的 LD，增益光纤采用 30/250 双包层掺杂光纤，光线长度为 8-15m。3.1.2光路模块结构设计光路模块主要实现激光振荡，放大和输出，其中包括调 Q 种子光纤脉冲源，预防大和主放大两级，最后经隔离器输出。当传感器的光缆弯曲半径过小时，入光率也会相应变少，传感器认为检测到了物体，有输出，这样会出现误输出，所以有最小弯曲半径。三维模型如图 3-1 所示。图 3-1光路三维模型北华航天工业学院毕业论文3.1.3光路模块装配在 Pro/E 中，首先按实际尺寸构建零件的三维实体，如隔离器 ios，剥离器 cps，合束器，种子源，LD 等，绘制出支撑光纤的光纤槽，有利于光纤的散热和固定，再新建装配体文件夹，采用设计思维和模块化思想，通过定义插入约束，配合约束、对齐约束，将各零件组装成装配体，判别装配体结构的合理性，若不合理，对零件或装配信息重新修正，免得各零件之间产生干涉，使设计达到合理设计要求。装配结果如图 3-2。图 3-2光路模块装配图3.1.4散热齿片的设计散热齿片是风冷散热的主要组成部分，直接决定了散热效果的好坏，不同高度尺寸的散热齿片，对器件的散热效果不一样，由经验得知散热通道/齿片宽度=2/1 或 3/1，即若齿片宽度大约为 1mm，风通道为 2-3mm，光路散热齿高 40mm，光路散热齿高20mm，因此需要设计合理的散热齿片高度，使其具有最优的散热效果。如图 3-3 所示：图 3-3散热齿示意图北华航天工业学院毕业论文3.2电路部分3.2.1控制及电路模块主要完成以下内容：（1）与 DB25 接口通信，将外部命令转换为内部控制。（2）打开和关闭红光指示光源。（3）打开和关闭电流源，为了保证光纤激光器光路稳定，其电流系统必须要进行延时控制。激光器打开时，其中预放大供电电流源必须迟于供电电流源打开至少 50ms，主放大供电电流源必须迟于预防大供电电流源打开至少 50ms，激光关闭时，其中主放大供电电流源必须早于预防大供电电流源关闭至少 50ms，预放大供电电流源必须早于供电电流源关闭至少 50ms。3.2.2电路部分工作过程24V 供电电流源通过 AC/DC 变换给数字电路提供 5V 电源，同时给红光电源，和激光器驱动源提供 12V 电源，CPU（数字逻辑芯片）通过 25 针接口，与上位机通讯接收指令，CPU 解码指令后并执行，通过继电器控制激光器驱动源延时导通，并根据上位机通讯接受指令，中的功率信息控制驱动源的电流幅值，同时根据上位机指令中的重频信息控制输出光开关控制脉冲信号，完成脉冲激光器脉冲激光输出。电路结构图如图 3-4。图 3-4电路三维模型结构图电路部分结构固定电路板，合理布置主要产热器件 MOS 管的位置，满足散热要求，在有限的空间装配添加 Q 开关。电路部分装配结构图如图 3-5。北华航天工业学院毕业论文图 3-5电路装配图3.3结构热源的依据脉冲激光器有很多功率元器件组成，在工作时，会因为转化效率，产生一些热量，具体如下。3.3.1电路部分热量电路部分总共产生热量 60-70W，共有 5 条电路板调整恒流源，每条有两个莫式管，所有热量均布在 10 个莫式管上，主要产生的热集中在莫式管上，每个莫式管热量 7W。3.3.2电路部分热量种子源 LD 将电能转化为光能，LD 电光转换效率是 45%，输入电能 10/45%22W，即产生 10W 的热量。一级放大的小 LD 产生热量（25/45%）- 2527W二级放大的三个大 LD 输入功率是 100W，由于电光转换效率大约为 45%左右，其余全部转换为热量，产生的热大约为 10055%=55W。即各大 LD 生成大约 50W 热量，总共产生 503=150W 热量。椭圆跑道热量 24W，圆形跑道热量 5.4W。具体可见表 3-1。表 3-1元器件产生热量表元器件热量(W)大 LD50小 LD10北华航天工业学院毕业论文一级放大 LD27MOS 管143.4结果经过一个半月的努力和讨论，将脉冲激光器的三维模型绘制出，内部元器件已经模拟安装上，强化了自己的绘图和设计能力，提高了自己绘图能力。3.5改进及评估现阶段第一版的三维模型已经完成，经领导和同事的评定建议，尺寸较大，内部元器件布置不合理，空余空间太多，没有充分利用空间，层数太多，不便于维修和拆装。下一步需要重新排布元器件，合理安排，将激光器总尺寸降低。北华航天工业学院毕业论文第四章第四章热分析热分析为适应设备小型化要求，电子器件集成度越来越高，功率不断增加，设备工作中因温度过高引起的问题日益突出，如果热量不能及时散发出去，将导致设备内部电子元件受损，如何控制设计产品的电子元器件的温度，使其在所处环境不超越标准及允许的最高温度是热设计需求处理的问题，利用 Ansys 专业分析软件进行仿真分析，能够获得较为真实的数据，为产品的热设计提供有力的参考依据。脉冲激光器采用风扇冷却方式，此种冷却方式在工业中用途广泛，散热效果较好，无论是电路板关键发热器件还是高功率 LD 等,都运用风扇冷却取得了良好的散热效果。风扇冷却方式主要是通过空气对流换热系数和热传导进行散热，激光器壳体采用导热率较高的铝材料，电路发热莫式管紧贴在电路部分下表面，光纤在圆形和椭圆形跑道紧密接触，五个 LD 在光路部分最下面，及时能将热量传导出去，风扇采用强制对流，最终将热量带走，达到散热目的。4.1脉冲激光器元器件热源依据种子源 LD 将电能转化为光能，LD 电光转换效率是 45%，输入电能 10/45%22W，即产生 10W 的热量。一级放大的小 LD 产生热量（25/45%）-2527W二级放大的三个大 LD 输入功率是 100W,由于电光转换效率大约为 45%左右，其余全部转换为热量，产生的热大约为 10055%=55W。即各大 LD 生成大约 50W 热量，总共产生 503=150W 热量。椭圆跑道热量 24W，圆形跑道热量 5.4W。列表格如下表 4-1。表 4-1元器件热量表元器件热量(W)大 LD50小 LD10一级放大 LD27MOS 管144.2风扇的对流换热系数流体与固体表面之间的换热能力，表面对流换热系数的数值与换热过程中流体的物理性质、换热表面的外形、部位、表面以及流体的流速等都有关系。物体表面附近的流北华航天工业学院毕业论文体的流速愈大，其表面对流换热系数也愈大。对流换热系数可用经验公式计算，很多情况下用巴兹公式计算。经查询资料得知，对流换热系数分为自然对流和强制对流，脉冲激光机冷却方式属于后者，空气自然对流 525，气体强制对流 20100。经查询使用的风扇电压 24V，电流 0.78A，转速 5700RPM，风量为 80.16CFM，风扇面积为 8080mm，计算步骤如下：1CFM 5.097m3/min，80CFM=136.272m3/h=408.58m3/min。风口面积：S=8080=6400mm2=0.0064m2。热流密度：Q=vts （3-1）v=Q/ts=408.58/（36000.0064）=17.73m/s。八级大风为 17.2-20.7m/s，风速为八级风。经查询，得到经验公式 hc=Bvn （3-2）h= Bvn/c=41.075，即所采用的风扇冷却方式的对流换热系数是 40 W/(m2K)B=18.3，速度指数：n=0.5-0.6。h对流换热系数。4.3建立立热学仿真模型及分析4.3.1模型的简化和导入在 Pro/E 软件中建立三维实体模型，是根据实际设计尺寸绘图，如图所示在做有限元分析时，为了减少分析的运算量和分析的可行性，需要对模型简化处理，根据惯例，如一些对分析最终结果影响很小的倒角、孔需要简化去掉，在 Ansys 软件中，形成Ansys 的三维模型。在三维模型中需要用螺钉连接，但连接处螺钉分析处理很复杂，简化去掉。通常实验条件下，可以认为连接面不发生相对滑移，所以为了简化分析把这些面连接在一起。启动 Ansys workbench，创建分析项目 A，导入简化后的三维模型。双击Geometry，进入 Design Modeler，单击 Generate，即导入模型成功。北华航天工业学院毕业论文图 4-1简化后模型4.3.2设置材料在安装结构主要由三维实体组成，铝材料导热性能良好，密度相对较小，采用铝材料（6106-T6） ，在材料库中添加铝材料。双击 Engineering Date，将铝材料添加到模型中。4.3.3划分网格使用 Ansys 网格划分工具对模型光路和电路模块划分网格，点击 Mesh，将 Sizing改为 Medium，等待进度显示条完成，网格划分完成，共划分 294821 个单元网格。4.3.4添加热载荷在风扇添加处热对流，点击 Convection，在元器件上添加热载荷，点击 Heat Flow，逐个添加。4.3.5结果后处理右击 B6，插入 Temperature，进度显示条完成，后处理成功。4.4热仿真结果虽然 Ansys 仿真软件能够提供一定的参考，是建立在简化模型后的，具体安装会有偏差，为了保证激光器稳定工作，模拟元器件在不同热量下的散热情况，需要模拟不同环境下。4.4.1强制风冷，不同对流换热系数下温升变化椭圆跑道 15W，圆跑道 3W，对流换热系数为 40，不同对流换热系数表格见表 4-2，截图见图 4-2，剖视图见图 4-3，北华航天工业学院毕业论文表4-2对流换热系数最高热位置椭圆跑道圆跑道小LD1小LD2大 LD莫式管2035大 LD34.6333034.835353032.649大 LD32.130.427.832.632.632.44031,433小 LD3129.226.831.4333130.95030.729小 LD30.328.426.230.72930.230.086030.253小 LD29.827.8830.25325.8329.629.47029.909小 LD29.4727.4225.55429.90929298029.646小 LD29.20427.18825.329.64628.8628.79029.438小 LD28.98126.93725.1329.43828.53928.44310029.269小 LD28.81126.74325.0629.26928.328.233图 4-2整体温度分布图北华航天工业学院毕业论文图 4-3剖视温度分布图4.4.2壳体不同对流换热系数，温升变化风冷对流换热系数为 40，椭圆跑道 15W，圆跑道 3W。不同壳体自然毒瘤换热系数见表 4-3，壳体对流温度分布云图如图 4-3。表4-3壳体自然对流换热系数最高热位置椭圆跑道圆跑道小 LD1小 LD2大 LD莫式管531,433小 LD3129.226.831.4333130.91031.356小 LD30.93329.08426.77431.35631.14830.9111531.285小 LD30.79429.02126.70431.28531.10930.8192031.22小 LD30.67729.1726.64931.21731.04530.7512531.158小 LD30.56129.07526.58631.15831.00830.655北华航天工业学院毕业论文图 4-4壳体对流温度分布云图4.4.3不同圆跑道热载荷的温升变化风冷气体强对流换热系数 40，壳体自然换热系数 5，椭圆跑道 15w，不同圆跑道热量见表 4-4，圆跑道温度分布图如图 4-5。表4-4圆跑道最高热位置椭圆跑道小 LD1小 LD2大 LD莫式管1031.346圆跑道31.37126.95231.54931.35431.1531535.373圆跑道31.44926.99731.58331.45131.251北华航天工业学院毕业论文图 4-5圆跑道温升变化4.4.4不同椭圆跑道热载荷，温升变化椭圆跑道变化，风冷气体强对流换热系数 40，壳体自然换热系数 5，圆跑道热5W，不同椭圆跑道热载荷表见表 4-5，椭圆跑道温度分布云图。表4-5椭圆跑道最高热位置圆跑道小 LD1小 LD2大 LD莫式管2033.056椭圆跑道29.70926.9931.58431.31331.1472534.878椭圆跑道29.86727.06131.65231.38431.2113036.699椭圆跑道30.02427.12831.71531.48431.2713538.518椭圆跑道30.07127.20131.78431.49931.3144040.334椭圆跑道30.32627.25531.85231.5631.403北华航天工业学院毕业论文图 4-6椭圆跑道温度分布云图4.5结果本章对脉冲激光器的主要功率器件，LD、跑道、MOS 管等，进行了风冷分析，建立了热仿真有限元仿真模型，对不同的热对流换热系数进行了假设与仿真。通过对数值仿真结果的分析，验证了结构的可行性，最后对将热仿真后的结构应用到脉冲激光器整体系统，散