殼體結構對激光器輸出功率的仿真及實驗研究

冀小剛 張志新 王 端 陳 燕 魯 飛 付世斌

（①中北大學環境與安全工程學院，山西 太原 030051；②西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099；③陸軍裝備部駐北京地區軍事代表局，山西 太原 030009；④陸軍裝備部裝備項目管理中心，北京 100071；⑤西安北方慶華機電有限公司，陜西 西安 710025）

半導體激光器相較于傳統激光器而言，具有體積輕巧、高效率、高可靠性與低能耗等優點。因此，半導體激光器目前已被廣泛應用于物理學、化學、生物醫學、通訊技術、加工技術、工業檢測和軍工武器等領域，幾乎滲透到所有自然科學領域[1-2]，已成為當前的研究熱點。

隨著科技的發展，半導體激光器的輸出功率在不斷提高，在各種應用領域中，半導體激光器逐漸取代了傳統氣體與固體激光器，占據主導地位，發展成為最快的一種激光技術[3-6]。

由于半導體激光器是一種敏感器件，在實際使用中，仍存在諸多潛在的因素影響著半導體激光器的輸出功率。國外學者Huang R K[7]、Avrutin E[8-9]和Klehr A[10]研究發現隨著電流的不斷增加，會造成載流子的泄漏，從而造成半導體激光器內部的損耗，導致輸出功率的下降。2014 年，Hao T[11]等人研究證明了腔長超過2 mm 時縱向空間燒孔效應會對激光器的最大輸出功率產生一定的影響。2018 年，Ryvkin B S[12-13]等人研究發現半導體激光器在高溫下的光損耗會影響激光器的輸出功率，并通過抑制作用提高其輸出功率。國內研究學者何培文[14]運用Matlab 軟件對激光輸出功率隨環境溫度變化的規律進行了數值模擬，驗證了激光的輸出功率受環境因素的影響且與環境溫度成反比。2019 年，王鑫[15]等人開展了半導體激光器腔面蒸鍍鈍化膜對輸出功率的影響研究。采用 ZnSe 材料作為鈍化膜，發現使用該材料制備出的器件輸出功率提高了23%。楊彬[16]等人研究發現對安裝板施加一定螺釘預緊力時產生的變形，會影響激光器輸出功率的穩定性。馬新強[17]等人通過有限元仿真軟件對激光器殼體進行優化設計，優化后的結構可提升激光光束的穩定性。綜上所述，這些因素都將導致半導體激光器輸出功率的波動，影響著半導體激光器輸出功率的穩定性[18]。故對半導體激光器的輸出功率需要權衡考慮各個要素，使激光器各方面性能盡可能達到最優。

光源的穩定性影響著半導體激光器的精度和輸出的準確性，激光器外部殼體作為光路模塊的重要載體，在一定程度上決定了激光器輸出功率的穩定性。國內外學者對于殼體結構對半導體激光器輸出功率的影響研究較少，因此，研究殼體結構對半導體激光器輸出功率的影響尤為重要。本文以半導體激光器殼體為研究對象，應用 ANSYS Workbench軟件對殼體分別進行靜態分析和模態分析，得到殼體前8 階固有頻率和相應振型，結合靜態分析確定殼體薄弱環節，并通過實驗進行驗證。

1 有限元模型的建立

在 Workbench 中主要通過材料庫 Engineering Data 來定義材料屬性，選擇結構鋼作為激光器殼體的材料。激光器殼體的材料模型在展開有限元分析時可分為線性、各向同性與各向異性等，殼體的物理參數主要包括材料密度、楊氏模量和泊松比等，具體物理參數如表1 所示。

表1 半導體激光器材料參數

采用 SolidWorks 三維制圖軟件對激光器殼體進行實體建模。為保證有限元分析盡可能的準確，模型尺寸與實體尺寸一致為360 mm×330 mm×100 mm，殼體壁厚為3 mm，所見模型如圖1 所示。選用SolidWorks 軟件構建殼體模型并保存為 STEP 格式，導入 ANSYS 軟件中進行后續有限元分析。

圖1 殼體三維模型

由于只研究殼體結構對半導體激光器輸出功率的影響，且激光器內部光路較為復雜，含有多種器件與零部件，增加了后續有限元分析的難度。故作如下假設：

（1）假定殼體內部任意一點的力學性質都是連續的，如密度、應力、位移和應變等。

（2）假定殼體是由均勻材料構成，其各部分的物理性質均相同。

（3）假定殼體內部任意一點在各個方向上都具有相同的物理性質。

（4）假定殼體在外力作用下所產生的變形遠小于其自身的幾何尺寸。

（5）假定對局部特征和光路輸出影響較小的零部件，如螺栓和散熱口等進行了簡化和刪除處理。

根據半導體激光器實際情況，分別設置不同的邊界條件。由于半導體激光器殼體水平放置，底部的4 個支撐腳采用位移全約束，施加外載荷，大小為100 N。殼體還受到自身重力作用，重力加速度方向為-Y方向。為保證計算結果的精度和收斂性，殼體內部其余模塊均被慣性載荷代替。

合理地劃分網格決定了半導體激光器殼體仿真模型分析結果的正確性與可靠性，半導體激光器殼體結構采用三角形、四邊形和四面體進行智能網格劃分，殼體結構網格的質量由網格數量、邊長及曲率控制。在分析殼體結構特性時，由于殼體較薄，故采用比較粗略而又均勻的結構單元網格，設定網格單元尺寸大小為2 mm，得到共342 182 個節點和172 357 個單元，此外網格平均質量為0.81，這樣可以使半導體激光器殼體結構質量矩陣和剛度矩陣的網格元素相接近，從而可以減小半導體激光器殼體結構數值仿真計算誤差，網格劃分如圖2 所示。

圖2 殼體有限元模型

從圖3 中可以看出，當網格數從17 萬變至73萬時，隨著網格數的增加，綜合變形量和模態頻率均無明顯變化，說明所設置的網格數量對計算結果幾乎無影響。

圖3 網格無關性驗證結果圖

2 靜力學分析

靜力學分析[19]主要用于分析固定載荷作用下的結構響應，不考慮研究系統的慣性和阻尼對結構體的影響。通常需滿足3 個假設條件：在線性分析系統中研究系統相對整體系統產生較小變形；其次要考慮線性材料變形行為；最后固定載荷的施加是一個均勻緩慢的過程。

通過求解半導體激光器殼體靜力學分析，得到計算出的激光器殼體模型的綜合變形及X、Y、Z方向變形云圖如圖4 所示。圖4a 所示為綜合變形云圖，變形量為41.76 μm，位置位于殼體幾何中心位置，這是由于激光器殼體重力和殼體內部各模塊的壓力所導致的，故以此為光路安裝區域，可能會對輸出功率產生影響；圖4b 所示為X方向的變形云圖，變形量為1.7 μm，變形位置集中在殼體頂部區域，這是由于殼體頂部在慣性載荷下產生壓縮變形；圖4c 所示為Y方向的變形云圖，變形量為0.65 μm，變形位置主要集中在激光器殼體前端位置，由于幾何中心產生壓縮變形，故該區域產生拉伸變形，又因該區域殼體四周都可為其提供支撐，所以較X方向的變形云圖要小；圖4d 所示為Z方向的變形云圖，變形量為4.78 μm，變形位置主要集中在激光器殼體末端側壁位置，也產生拉伸變形，變形量要稍大于X和Y方向的變形。

圖4 變形云圖

3 模態分析

模態分析運用了振動理論，來確定結構本身所擁有的基本振動特性。文中探討了半導體激光器殼體結構的各階固有頻率和振型，研究殼體的各階模態特性，有限的避免共振或特定頻率引起的振動[20-21]。殼體結構簡化后的運動微分方程為

式中：[M]為質量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為系統剛度矩陣；f(t)為節點載荷陣列。

計算殼體結構的固有頻率和振型時，幾乎不受阻尼的影響，故忽略阻尼同時令外部激振力為0，其自由振動方程簡化為

當激光器殼體結構發生簡諧振動時，其簡諧運動轉化為

式中：z為各節點的振型；ω為振型相對應的頻率。

將式（3）代入式（2）得

因此就激光器殼體運動結構的模態分析而言，方程（4）的特征值為ωi2；ωi為殼體運動結構自身的固有圓周頻率，方程的特征向量為{φi}。通過求解上述方程組，可得到方程的固有特征頻率，其表示形式如下

方程的特征向量{φi}描述殼體振動結構的振型，即殼體運動結構以頻率fi振動時的形態。

根據振動理論，選取 ANSYS Workbench 的特有 Modal 模塊展開對激光器殼體結構的模態研究，使用 Subspace 法進行求解，得到殼體前8 階模態頻率及振型圖如表2 和圖5 所示。

表2 殼體前8 階模態頻率

圖5 模態振型圖

從圖5a～h 激光器殼體結構的模態分析結果可以看出，殼體結構主要表現為兩種不同的振動類型：一種是以激光器殼體結構整體振動形式為主，多表現為垂向彎曲、彎曲扭轉與二者的組合振動；另一種則表現為激光器殼體結構某處局部結構為主的局部振動，表現為單向擺動或豎直方向上的振動。各階具體振動形態及相對應頻率分析如下：

一階模態是激光器殼體結構的局部振動，表現為殼體頂部在X-Y平面上的豎直上下振動，最大振幅發生在激光器殼體結構上表面的尾部，在頻率為113.33 Hz 條件下，可能發生的最大振幅可達47 mm。二階模態是激光器殼體結構的局部振動，表現為殼體頂部與底部在X-Y平面上的豎直上下振動，殼體頂部振幅有兩處，在頻率為201.72 Hz 的條件下，可能發生的最大振可達44 mm。三階模態是激光器殼體結構的局部振動，表現為殼體底部在X-Y平面上的豎直上下振動，振幅集中在殼體底部的中心位置，在頻率為213.29 Hz 的條件下，可能發生的最大振幅達37 mm。四階模態是激光器殼體結構整體振動，表現為激光器殼體結構整體在Y-Z平面發生扭轉振動，振幅集中在殼體頂部靠后位置，在頻率為232.22 Hz 的條件下，可能發生的最大振幅達33 mm。五階模態是激光器殼體結構整體振動，表現為激光器殼體結構整體在Y-Z平面發生S 型擺動，振幅集中在殼體頂部位置，在頻率為265.93 Hz 的條件下，可能發生的最大振幅達30 mm。六階模態是激光器殼體結構局部振動，表現為激光器殼體結構在X-Y平面發生上下擺動，振幅主要集中在殼體靠后位置處，在頻率為333.99 Hz 的條件下，可能發生的最大振幅達45 mm。七階模態是激光器殼體結構局部振動，表現為激光器殼體結構在X-Y平面發生上下擺動，振幅集中在殼體底部位置，在頻率為361.75 Hz 的條件下，可能發生的最大振幅達68 mm。八階模態是激光器殼體結構局部振動，表現為激光器殼體結構在X-Y平面發生上下擺動，振幅集中在殼體頂部位置，在頻率為379.91 Hz 的條件下，可能發生的最大振幅達40.8 mm。

4 輸出功率測試實驗

4.1 試驗步驟

對仿真結果進行驗證，將光路模塊分別安裝在不同的位置，位置1 為激光器殼體前端，為殼體非薄弱環節，綜合變形較小處，位置2 為激光器殼體正中央處，為殼體薄弱環節。實驗采用 WPL-Y19001-A22-80810-50W-LCD 激光點火系統，將光路模塊分別內置于位置1 和位置2 處，開啟激光二極管驅動電源，驅動激光器工作產生激光，并通過 LPM-50C光功率計分別對光路模塊處于不同位置處時進行測試，采集激光輸出的不同實際輸出功率，搭建的實驗平臺如圖6 所示。

圖6 激光器不同位置下的功率測試

4.2 測試結果分析

半導體激光器輸出功率是由激光器的工作電流決定的，但機身工作時產生的頻率會和半導體激光器的固有頻率產生共振，會影響激光器輸出功率的穩定性。通過調節電流實現預定功率的輸出，使用LPM-50C 光功率計測試光路模塊位于不同安裝位置時的實際輸出功率，與面板設置功率進行對比，測試數據如表3 所示。

表3 光路模塊不同安裝位置輸出功率測試

為便于進行對照，使用 Origin 制圖軟件對數據進行處理如圖7 所示，由圖可以明顯看出不同位置下測得的實際輸出功率都要低于面板設置的功率，且光路模塊位于殼體薄弱環節處時誤差高達10%，要明顯高于非薄弱處的實際輸出功率。結合仿真結果可知，半導體激光器工作時，機身本身會產生振動，產生激光的光路模塊由于安裝固定在殼體上，在殼體振動過程中導致光功率不穩定，經光纖（光纖≈1 m，傳輸造成的損失可忽略）傳輸后導致實際輸出功率低于設置功率，且位于不同位置時，會對輸出功率產生不同的影響。

圖7 測試結果圖

5 結語

以半導體激光器殼體為研究對象，通過 ANSYS Workbench 仿真軟件建立實體模型，對激光器殼體開展靜、動態特性分析。通過實驗進行驗證，發現殼體結構影響輸出功率的穩定性。

激光器殼體重力和殼體內部各模塊的壓力所導致的最大變形位置，位于殼體幾何中心，變形量為41.76 μm，故以此為光路安裝區域，可能會對輸出功率產生影響。確定模態頻率與結構振型之間的關系，主要表現為整體振動和局部振動，得到殼體薄弱環節。

光路模塊處于不同安裝位置時會對實際輸出功率產生不同的影響，殼體薄弱處的輸出功率產生的誤差明顯大于非薄弱處，高達10%，均小于設置功率。

綜上所述，殼體結構會影響半導體激光器輸出功率的穩定性。設計時可以對殼體薄弱環節處適當增加剛度，通過合理的優化避免出現共振現象，避免光路模塊安裝在殼體薄弱環節，保持激光輸出功率的穩定性。這對提高半導體激光器輸出功率的穩定性具有重要意義，可為后續對激光器設計和優化提供參考。