脉冲激光器的结构设计与仿真.zip

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 Abstract Fiber 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 output The 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.I Abstract .II 目 录.1 第 1 章 绪论.1 1.1课题背景.1 1.1.1来源.1 1.1.2背景.1 1.2国内外研究情况.2 1.3 本文主要研究内容.2 第 2 章介绍基本原理.4 2.1光纤激光器的原理.4 2.2高稳定度窄脉宽调 Q 种子脉冲技术原理.4 2.3光纤调 Q 激光器的光路结构.5 2.4结构设计理论基础.5 2.4.1机械结构设计创新设计的重要性.5 2.4.2结构设计的基本条件和要求.6 2.4.3结构设计特点.6 2.4.4结构设计基准和设计准则.6 2.5热仿真原理.6 2.5.1热源和热阻.7 2.5.2热损伤.7 2.5.3热传递方式.7 2.5.4稳态传热.8 2.5.5热控制方法.8 2.5.6本章小结.9 第 3 章脉冲激光器结构设计.10 3.1光路结构.10 3.1.1各部分拟采用的器件参量及相应的输出指标.10 3.1.2光路模块结构设计.11 3.1.3光路模块装配.12 3.1.4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.13 3.2.1控制及电路模块主要完成内容.13 3.2.2电路部分工作过程.13 3.3结构热源的依据.14 3.3.1电路部分热量.14 3.3.2电路部分热量.14 3.4结果.15 3.5改进及评估.15 第四章热分析.16 4.1脉冲激光器元器件热源依据.16 4.2风扇的对流换热系数.16 4.3建立立热学仿真模型及分析.17 4.4热仿真结果.18 4.5结果.22 第五章脉冲激光器振动仿真.23 5.1振动仿真原理.23 5.2建立分析模型及振动仿真.23 5.2.1模型的简化和导入.23 5.2.2设置材料.23 5.2.3划分网格.23 5.2.4模态分析.23 5.2.5结果分析.24 5.3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