摘要：激光系統仿真技術是指仿真技術與激光工程技術相結合，為激光系統及激光器的設計分析、技術風險預估、復雜環境模擬及性能評估等提供理論驗證手段和模擬平臺。激光系統仿真技術包括系統仿真與建模技術，多物理場耦合的總體仿真技術等。本文結合實際研發的幾款高穩定產品，分別從寬溫適應性研究、力學性能穩定性分析及系統建模仿真研究三個方面，闡述激光系統仿真技術在產品研制過程中的重要作用，并實驗驗證了仿真結果的可參考性和正確性。

一、引言

當前的經濟和科學技術處于快速發展狀態，全球化市場競爭異常激烈，產品更新迭代非常快。面對無法預測和持續的市場需求，企業為了滿足和適應市場競爭環境，必須增加和迭代產品的類型，更新設計方向，縮短產品研發周期、降低產品成本，提高產品的穩定性和可靠性，以響應快速多變的市場和技術需求。這樣才能夠從市場競爭中脫穎而出，獲取市場的份額和利潤。

現代化激光系統設計存在很多技術重難點，應用場景也非常復雜，需要非常多的實驗數據或分析驗證數據才能夠設計高質量產品。傳統設計憑借手冊、經驗公式和繁雜的實驗結果已經不能滿足新型的激光系統的需求，而利用激光系統仿真技術對動態或繁雜的參數進行設定和充分模擬分析，根據分析結果不僅優化設計方案，更提高設計質量和風險預判。與傳統設計相比，仿真技術的應用能夠縮短周期、減少繁雜的試驗次數、降低成本、減少人力及物力投入。

二、寬溫適應性研究

激光器寬溫工作時的散熱問題一直是研究的熱點，包括光學元件散熱、芯片散熱等。溫度升高或降低勢必引起激光器性能下降，要使激光器一直處于良好的溫度環境必須對熱量大的器件強制散熱。目前，散熱方式主要包括傳統散熱方式(平板熱沉散熱、大通道水冷散熱、散熱齒散熱等)和新型散熱方式(微通道散熱、熱管散熱、半導體制冷散熱、噴霧散熱和相變散熱等)，無論使用何種散熱方法，原則是在滿足性能的情況下，選擇最簡單有效的方式，尤其是針對機載或航天應用的激光系統，不僅要求散熱效果好，更需具備體積小、功耗低等特點。聲光調Q微脈沖全固態激光器(AOML 100/500/1000)是一款高穩定性產品，如圖1-1所示。典型應用于大氣顆粒物激光雷達的配套光源，用于實時監測大氣環境變化。圖1-1 ?聲光調Q微脈沖全固態激光器該款產品主要技術難點在于系統在約50W廢熱的情況下保證寬溫條件(-20℃~60℃)穩定工作，且要求體積小、功耗低，這樣就限制了水冷等大型或復雜散熱方式。根據技術指標及應用場景分析，選擇半導體制冷及風扇冷卻方式。半導體制冷器件根據熱功耗及控制溫度選型，散熱方式則利用風扇加散熱齒形式。我們應用仿真軟件能夠對散熱齒進行建模，根據流體仿真快速優化風扇流速大小及散熱齒的形態(大小、齒厚、齒距等)，圖如1-2所示。圖1-2 流體仿真優化齒形、大小、齒厚、齒距及風扇風速根據得到的最優散熱齒形態及風扇流速，結合激光器的熱功耗，對整個激光器進行流熱耦合，優化散熱齒位置、風扇進風口和出風口大小，可以得到不同溫度梯度。如圖1-3所示，這是最終能夠滿足指標要求的方案，根據仿真結果可以看出整體結構完全達到-20℃~60℃寬溫工作條件。圖1-3 優化溫度梯度(流熱耦合)在產品研發階段和設計階段，我們運用流體仿真、熱力學仿真及流熱耦合仿真分析不僅能夠快速精準分析優化問題，還確定了設計方案，減少了試驗次數，僅在散熱控溫方面做了一次實驗，如圖1-4所示。從實驗數據可以看出此方案是可行的，該實驗也從側面驗證了仿真分析結果正確性。圖1-4 實驗驗證散熱方案設計可行性利用仿真與試驗相結合的辦法很好地解決了寬溫工作技術難點。整機在高低溫測試結果如圖1-5所示，完全能夠滿足技術要求，甚至高于技術指標的寬溫要求。后期產品經歷一年多的外場測試，如圖1-6所示，測試結果良好，實現了產品的穩定可靠。圖1-5 整機高低溫測試結果圖1-6 外場測試圖片三、力學性能穩定性分析力學性能主要分析不同環境中，整體系統結構剛度、強度、抗振性及穩定性的情況，涉及到系統建模、多學科多物理場耦合分析及優化分析等，依靠仿真手段進行驗證，降低激光器在使用中的風險，結合實驗數據進一步修正仿真模型，進行更加充分的仿真驗證，提高產品設計質量，快速研發高技術指標及復雜應用環境下的可靠穩定激光器。以一款實際應用的激光器為例，激光器主要技術難點在于需要正反安裝使用，要求重力引起的形變影響較小、低氣壓環境下需要良好的密封性、振動環境惡劣以及良好散熱功能，該系統不允許對殼體使用水冷散熱，只能利用熱傳導將熱量快速帶走，對光學和結構設計要求非常高。首先對該激光器進行重力變形分析，有限元模型如圖3-1所示。在滿足剛度和強度條件下，通過優化重力引起的形變優化內部重量分布。最終得到最優減重模型，正反安裝時，重力對腔平面引起的變形都小于1微米，由此可見該結構重力變形基本沒有影響。圖3-1 重力施加方向圖3-2 整機對應變形1圖3-2 整機對應變形2其次，根據動力學分析，可以優化系統結構的約束位置和彈性腳的設計方式。避免出現共振等情況，在進一步利用諧響應分析獲取特定載荷下所激發出的固有頻率和薄弱部位，得到整個過程中結構響應，進一步優化。經過多次仿真，最后安裝腳設計成一個彈性安裝腳和兩個剛性安裝腳，約束為三角形式固定。整機固有頻率如圖3-3及3-4所示。圖3-3 一階模態圖3-4 前六階模態最后，對該激光器進行熱力學分析，通過溫度分布和光軸變形計算可以優化光學設計方案。整機主要三個晶體的熱量較高，分別為5W、20W和20W，如圖3-5所示，其熱量對整個光學影響較大。根據溫度梯度和光軸變形，優化了光學設計，提出兩種光學方案，一種利用高傳導性能的熱管，一種是將高熱量的元件靠近冷面，如圖3-6及3-7所示。從結果可以看出，兩種方案均可以將熱量散去，保證光學穩定性。圖3-5 熱量分布圖3-6 殼體溫度梯度圖3-7 溫度變化引起光軸變形分析在設計過程中，我們還對殼體的厚度進行了優化分析，優化結構使得整個激光系統更加穩定可靠。優化分析主要包括以下幾個方面：A.目標函數：即系統設計的目標，一般有質量最小、剛度大、固有頻率大、形變小、溫度等；B.優化空間：即優化變量取值范圍，如結構尺寸，材料參數、局部形狀、結構形狀和整體拓撲優化等；C.約束條件：即結構尺寸范圍、體積、質量、最大變形量、最小變形量、應力等。對殼體厚度和蓋板厚度進行優化分析，保證在工作條件下最佳厚度。優化條件為上下殼體壁厚為10mm，優化范圍為5mm~15m，殼體腔內安裝面的厚度為15mm，優化范圍為10mm~25mm。優化結果為殼體總的最大變形最小化。其優化模型、目標函數、優化空間及約束條件如圖3-8所示。下面以施加腔內低氣壓環境和重力影響為邊界條件，從結果3-9得出殼體腔內安裝面厚度10~25mm厚度影響不是很大，而上下側壁厚度影響較大，優值基本上在12mm左右,其影響基本上也處于1微米以下，所以根據以往實際經驗，取整數12mm。變形結果如圖2-10所示，其最大變形為4.7微米，均在可接受范圍內。圖3-8 有限元模型及相關約束條件圖3-9 三者在區間范圍內厚度變化影響圖3-10 結構變形四、系統建模與仿真激光系統建模與仿真對于系統方案設計至關重要，從理論上決定了該系統是否正確可行。下面將結合一款穩定、可靠的水下無線光通信產品進行介紹，如圖4-1所示，主要用于水下無線高速數據傳輸、交互、收集及控制等。圖4-1 水下無線光通信產品該產品工作環境為深海2000米以內，通信速率大于10Mbps，通信距離大于150米，對整個系統的設計要求高。下面簡單介紹前期系統建模仿真及關鍵技術仿真在系統中的應用。利用相關軟件對整個激光通信鏈路進行仿真，驗證了方案可行性，后續對整個系統存在的技術風險進行模擬仿真，其中包括算法可行性仿真，結構密封性能仿真，最后與實驗相結合，驗證仿真的正確性。我們利用蒙特卡洛方法對該通信系統進行建模，通過對發射和接收之間的距離仿真，得到激光系統最遠通信能力，如圖4-2所示。圖4-2 系統數學方法建模及仿真海水與接收距離的關系軟件通信鏈路仿真是保證整個通信能否穩定可靠運行的關鍵之一，整體軟件的仿真驗證了軟件算法的可行性，如圖4-3所示。圖4-3 軟件時序仿真密封圈的選型非常重要，激光系統密封圈常用的有硅橡膠、氟橡膠、丁腈等，這類材質的工作溫度都很廣泛。其中，丁腈材料使用溫度范圍為-30℃~110℃，氟橡膠材料使用溫度范圍-20℃~220℃，硅橡膠一般使用溫度為-60℃~220℃。這類材質都有不同的硬度。在不同的工作條件下選擇不同材質、線徑大小、硬度等都有著非常嚴格的要求。利用非線性仿真分析，對選型密封圈的材質，密封圈線徑大小，密封槽的設計起到了重要作用。該產品工作環境為深海2000米，其中最重要一點就是水下密封。2000米深海其壓強在約20MPa左右。利用有限元軟件對密封結構進行建模，約束和施加對應的水壓≥20MPa，如圖4-4所示。圖4-4 有限元模型及邊界條件分析結果如圖4-5、4-6所示。圖4-5說明該密封圈在24MPa的壓力下能夠收斂，說明密封圈的接觸壓力大于滲透壓力。圖4-6可以看出密封圈最大接觸壓力為33MPa，而滲透壓力為24MPa，接觸壓力大于滲透壓力，且余量為7MPa，說明在此滲透壓力下完全能夠密封。圖4-5 非線性收斂圖4-6 密封圈最大接觸壓力最后對整個系統進行了通信實驗如圖4-7所示，實驗數據顯示在通信距離適中，且水質較好時，接收到的數據為零誤碼，驗證了仿真的正確性和重要性。圖4-7 實驗及數據對比五、總結以上仿真技術的應用都是結合南京先進激光技術研究院全固態中心工程化激光系統，根據不同的技術指標及使用環境應用不同的仿真技術，配合相關實驗，提高了激光系統產品的穩定性和可靠性。

作者簡介：李冬冬，中國科學院大學碩士，現就職于南京先進激光技術研究院先進全固態研發中心。主要從事方向為激光精密儀器設計及仿真技術研究。

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總結

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