冀小剛 張志新 王 端 陳 燕 魯 飛 付世斌

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

半導(dǎo)體激光器相較于傳統(tǒng)激光器而言，具有體積輕巧、高效率、高可靠性與低能耗等優(yōu)點(diǎn)。因此，半導(dǎo)體激光器目前已被廣泛應(yīng)用于物理學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、通訊技術(shù)、加工技術(shù)、工業(yè)檢測(cè)和軍工武器等領(lǐng)域，幾乎滲透到所有自然科學(xué)領(lǐng)域[1-2]，已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

隨著科技的發(fā)展，半導(dǎo)體激光器的輸出功率在不斷提高，在各種應(yīng)用領(lǐng)域中，半導(dǎo)體激光器逐漸取代了傳統(tǒng)氣體與固體激光器，占據(jù)主導(dǎo)地位，發(fā)展成為最快的一種激光技術(shù)[3-6]。

由于半導(dǎo)體激光器是一種敏感器件，在實(shí)際使用中，仍存在諸多潛在的因素影響著半導(dǎo)體激光器的輸出功率。國(guó)外學(xué)者Huang R K[7]、Avrutin E[8-9]和Klehr A[10]研究發(fā)現(xiàn)隨著電流的不斷增加，會(huì)造成載流子的泄漏，從而造成半導(dǎo)體激光器內(nèi)部的損耗，導(dǎo)致輸出功率的下降。2014 年，Hao T[11]等人研究證明了腔長(zhǎng)超過2 mm 時(shí)縱向空間燒孔效應(yīng)會(huì)對(duì)激光器的最大輸出功率產(chǎn)生一定的影響。2018 年，Ryvkin B S[12-13]等人研究發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器在高溫下的光損耗會(huì)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(guó)內(nèi)研究學(xué)者何培文[14]運(yùn)用Matlab 軟件對(duì)激光輸出功率隨環(huán)境溫度變化的規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬，驗(yàn)證了激光的輸出功率受環(huán)境因素的影響且與環(huán)境溫度成反比。2019 年，王鑫[15]等人開展了半導(dǎo)體激光器腔面蒸鍍鈍化膜對(duì)輸出功率的影響研究。采用 ZnSe 材料作為鈍化膜，發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)對(duì)安裝板施加一定螺釘預(yù)緊力時(shí)產(chǎn)生的變形，會(huì)影響激光器輸出功率的穩(wěn)定性。馬新強(qiáng)[17]等人通過有限元仿真軟件對(duì)激光器殼體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)可提升激光光束的穩(wěn)定性。綜上所述，這些因素都將導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器輸出功率的波動(dòng)，影響著半導(dǎo)體激光器輸出功率的穩(wěn)定性[18]。故對(duì)半導(dǎo)體激光器的輸出功率需要權(quán)衡考慮各個(gè)要素，使激光器各方面性能盡可能達(dá)到最優(yōu)。

光源的穩(wěn)定性影響著半導(dǎo)體激光器的精度和輸出的準(zhǔn)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(wěn)定性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于殼體結(jié)構(gòu)對(duì)半導(dǎo)體激光器輸出功率的影響研究較少，因此，研究殼體結(jié)構(gòu)對(duì)半導(dǎo)體激光器輸出功率的影響尤為重要。本文以半導(dǎo)體激光器殼體為研究對(duì)象，應(yīng)用 ANSYS Workbench軟件對(duì)殼體分別進(jìn)行靜態(tài)分析和模態(tài)分析，得到殼體前8 階固有頻率和相應(yīng)振型，結(jié)合靜態(tài)分析確定殼體薄弱環(huán)節(jié)，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 有限元模型的建立

在 Workbench 中主要通過材料庫(kù) Engineering Data 來定義材料屬性，選擇結(jié)構(gòu)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(shí)可分為線性、各向同性與各向異性等，殼體的物理參數(shù)主要包括材料密度、楊氏模量和泊松比等，具體物理參數(shù)如表1 所示。

表1 半導(dǎo)體激光器材料參數(shù)

采用 SolidWorks 三維制圖軟件對(duì)激光器殼體進(jìn)行實(shí)體建模。為保證有限元分析盡可能的準(zhǔn)確，模型尺寸與實(shí)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(gòu)建殼體模型并保存為 STEP 格式，導(dǎo)入 ANSYS 軟件中進(jìn)行后續(xù)有限元分析。

圖1 殼體三維模型

由于只研究殼體結(jié)構(gòu)對(duì)半導(dǎo)體激光器輸出功率的影響，且激光器內(nèi)部光路較為復(fù)雜，含有多種器件與零部件，增加了后續(xù)有限元分析的難度。故作如下假設(shè)：

（1）假定殼體內(nèi)部任意一點(diǎn)的力學(xué)性質(zhì)都是連續(xù)的，如密度、應(yīng)力、位移和應(yīng)變等。

（2）假定殼體是由均勻材料構(gòu)成，其各部分的物理性質(zhì)均相同。

（3）假定殼體內(nèi)部任意一點(diǎn)在各個(gè)方向上都具有相同的物理性質(zhì)。

（4）假定殼體在外力作用下所產(chǎn)生的變形遠(yuǎn)小于其自身的幾何尺寸。

（5）假定對(duì)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(jìn)行了簡(jiǎn)化和刪除處理。

根據(jù)半導(dǎo)體激光器實(shí)際情況，分別設(shè)置不同的邊界條件。由于半導(dǎo)體激光器殼體水平放置，底部的4 個(gè)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?yàn)?Y方向。為保證計(jì)算結(jié)果的精度和收斂性，殼體內(nèi)部其余模塊均被慣性載荷代替。

合理地劃分網(wǎng)格決定了半導(dǎo)體激光器殼體仿真模型分析結(jié)果的正確性與可靠性，半導(dǎo)體激光器殼體結(jié)構(gòu)采用三角形、四邊形和四面體進(jìn)行智能網(wǎng)格劃分，殼體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的質(zhì)量由網(wǎng)格數(shù)量、邊長(zhǎng)及曲率控制。在分析殼體結(jié)構(gòu)特性時(shí)，由于殼體較薄，故采用比較粗略而又均勻的結(jié)構(gòu)單元網(wǎng)格，設(shè)定網(wǎng)格單元尺寸大小為2 mm，得到共342 182 個(gè)節(jié)點(diǎn)和172 357 個(gè)單元，此外網(wǎng)格平均質(zhì)量為0.81，這樣可以使半導(dǎo)體激光器殼體結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣和剛度矩陣的網(wǎng)格元素相接近，從而可以減小半導(dǎo)體激光器殼體結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真計(jì)算誤差，網(wǎng)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(dāng)網(wǎng)格數(shù)從17 萬變至73萬時(shí)，隨著網(wǎng)格數(shù)的增加，綜合變形量和模態(tài)頻率均無明顯變化，說明所設(shè)置的網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果幾乎無影響。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果圖

2 靜力學(xué)分析

靜力學(xué)分析[19]主要用于分析固定載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，不考慮研究系統(tǒng)的慣性和阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)體的影響。通常需滿足3 個(gè)假設(shè)條件：在線性分析系統(tǒng)中研究系統(tǒng)相對(duì)整體系統(tǒng)產(chǎn)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(gè)均勻緩慢的過程。

通過求解半導(dǎo)體激光器殼體靜力學(xué)分析，得到計(jì)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(nèi)部各模塊的壓力所導(dǎo)致的，故以此為光路安裝區(qū)域，可能會(huì)對(duì)輸出功率產(chǎn)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(qū)域，這是由于殼體頂部在慣性載荷下產(chǎn)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(chǎn)生壓縮變形，故該區(qū)域產(chǎn)生拉伸變形，又因該區(qū)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??；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(cè)壁位置，也產(chǎn)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(tài)分析

模態(tài)分析運(yùn)用了振動(dòng)理論，來確定結(jié)構(gòu)本身所擁有的基本振動(dòng)特性。文中探討了半導(dǎo)體激光器殼體結(jié)構(gòu)的各階固有頻率和振型，研究殼體的各階模態(tài)特性，有限的避免共振或特定頻率引起的振動(dòng)[20-21]。殼體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化后的運(yùn)動(dòng)微分方程為

式中：[M]為質(zhì)量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為系統(tǒng)剛度矩陣；f(t)為節(jié)點(diǎn)載荷陣列。

計(jì)算殼體結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型時(shí)，幾乎不受阻尼的影響，故忽略阻尼同時(shí)令外部激振力為0，其自由振動(dòng)方程簡(jiǎn)化為

當(dāng)激光器殼體結(jié)構(gòu)發(fā)生簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)，其簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為

式中：z為各節(jié)點(diǎn)的振型；ω為振型相對(duì)應(yīng)的頻率。

將式（3）代入式（2）得

因此就激光器殼體運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析而言，方程（4）的特征值為ωi2；ωi為殼體運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)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(dòng)結(jié)構(gòu)的振型，即殼體運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)以頻率fi振動(dòng)時(shí)的形態(tài)。

根據(jù)振動(dòng)理論，選取 ANSYS Workbench 的特有 Modal 模塊展開對(duì)激光器殼體結(jié)構(gòu)的模態(tài)研究，使用 Subspace 法進(jìn)行求解，得到殼體前8 階模態(tài)頻率及振型圖如表2 和圖5 所示。

表2 殼體前8 階模態(tài)頻率

圖5 模態(tài)振型圖

從圖5a～h 激光器殼體結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析結(jié)果可以看出，殼體結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為兩種不同的振動(dòng)類型：一種是以激光器殼體結(jié)構(gòu)整體振動(dòng)形式為主，多表現(xiàn)為垂向彎曲、彎曲扭轉(zhuǎn)與二者的組合振動(dòng)；另一種則表現(xiàn)為激光器殼體結(jié)構(gòu)某處局部結(jié)構(gòu)為主的局部振動(dòng)，表現(xiàn)為單向擺動(dòng)或豎直方向上的振動(dòng)。各階具體振動(dòng)形態(tài)及相對(duì)應(yīng)頻率分析如下：

一階模態(tài)是激光器殼體結(jié)構(gòu)的局部振動(dòng)，表現(xiàn)為殼體頂部在X-Y平面上的豎直上下振動(dòng)，最大振幅發(fā)生在激光器殼體結(jié)構(gòu)上表面的尾部，在頻率為113.33 Hz 條件下，可能發(fā)生的最大振幅可達(dá)47 mm。二階模態(tài)是激光器殼體結(jié)構(gòu)的局部振動(dòng)，表現(xiàn)為殼體頂部與底部在X-Y平面上的豎直上下振動(dòng)，殼體頂部振幅有兩處，在頻率為201.72 Hz 的條件下，可能發(fā)生的最大振可達(dá)44 mm。三階模態(tài)是激光器殼體結(jié)構(gòu)的局部振動(dòng)，表現(xiàn)為殼體底部在X-Y平面上的豎直上下振動(dòng)，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(fā)生的最大振幅達(dá)37 mm。四階模態(tài)是激光器殼體結(jié)構(gòu)整體振動(dòng)，表現(xiàn)為激光器殼體結(jié)構(gòu)整體在Y-Z平面發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，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(fā)生的最大振幅達(dá)33 mm。五階模態(tài)是激光器殼體結(jié)構(gòu)整體振動(dòng)，表現(xiàn)為激光器殼體結(jié)構(gòu)整體在Y-Z平面發(fā)生S 型擺動(dòng)，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(fā)生的最大振幅達(dá)30 mm。六階模態(tài)是激光器殼體結(jié)構(gòu)局部振動(dòng)，表現(xiàn)為激光器殼體結(jié)構(gòu)在X-Y平面發(fā)生上下擺動(dòng)，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(fā)生的最大振幅達(dá)45 mm。七階模態(tài)是激光器殼體結(jié)構(gòu)局部振動(dòng)，表現(xiàn)為激光器殼體結(jié)構(gòu)在X-Y平面發(fā)生上下擺動(dòng)，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(fā)生的最大振幅達(dá)68 mm。八階模態(tài)是激光器殼體結(jié)構(gòu)局部振動(dòng)，表現(xiàn)為激光器殼體結(jié)構(gòu)在X-Y平面發(fā)生上下擺動(dòng)，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(fā)生的最大振幅達(dá)40.8 mm。

4 輸出功率測(cè)試實(shí)驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)步驟

對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)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(huán)節(jié)，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(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)采用 WPL-Y19001-A22-80810-50W-LCD 激光點(diǎn)火系統(tǒng)，將光路模塊分別內(nèi)置于位置1 和位置2 處，開啟激光二極管驅(qū)動(dòng)電源，驅(qū)動(dòng)激光器工作產(chǎn)生激光，并通過 LPM-50C光功率計(jì)分別對(duì)光路模塊處于不同位置處時(shí)進(jìn)行測(cè)試，采集激光輸出的不同實(shí)際輸出功率，搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖6 所示。

圖6 激光器不同位置下的功率測(cè)試

4.2 測(cè)試結(jié)果分析

半導(dǎo)體激光器輸出功率是由激光器的工作電流決定的，但機(jī)身工作時(shí)產(chǎn)生的頻率會(huì)和半導(dǎo)體激光器的固有頻率產(chǎn)生共振，會(huì)影響激光器輸出功率的穩(wěn)定性。通過調(diào)節(jié)電流實(shí)現(xiàn)預(yù)定功率的輸出，使用LPM-50C 光功率計(jì)測(cè)試光路模塊位于不同安裝位置時(shí)的實(shí)際輸出功率，與面板設(shè)置功率進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 光路模塊不同安裝位置輸出功率測(cè)試

為便于進(jìn)行對(duì)照，使用 Origin 制圖軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理如圖7 所示，由圖可以明顯看出不同位置下測(cè)得的實(shí)際輸出功率都要低于面板設(shè)置的功率，且光路模塊位于殼體薄弱環(huán)節(jié)處時(shí)誤差高達(dá)10%，要明顯高于非薄弱處的實(shí)際輸出功率。結(jié)合仿真結(jié)果可知，半導(dǎo)體激光器工作時(shí)，機(jī)身本身會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，產(chǎn)生激光的光路模塊由于安裝固定在殼體上，在殼體振動(dòng)過程中導(dǎo)致光功率不穩(wěn)定，經(jīng)光纖（光纖≈1 m，傳輸造成的損失可忽略）傳輸后導(dǎo)致實(shí)際輸出功率低于設(shè)置功率，且位于不同位置時(shí)，會(huì)對(duì)輸出功率產(chǎn)生不同的影響。

圖7 測(cè)試結(jié)果圖

5 結(jié)語

以半導(dǎo)體激光器殼體為研究對(duì)象，通過 ANSYS Workbench 仿真軟件建立實(shí)體模型，對(duì)激光器殼體開展靜、動(dòng)態(tài)特性分析。通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)殼體結(jié)構(gòu)影響輸出功率的穩(wěn)定性。

激光器殼體重力和殼體內(nèi)部各模塊的壓力所導(dǎo)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(qū)域，可能會(huì)對(duì)輸出功率產(chǎn)生影響。確定模態(tài)頻率與結(jié)構(gòu)振型之間的關(guān)系，主要表現(xiàn)為整體振動(dòng)和局部振動(dòng)，得到殼體薄弱環(huán)節(jié)。

光路模塊處于不同安裝位置時(shí)會(huì)對(duì)實(shí)際輸出功率產(chǎn)生不同的影響，殼體薄弱處的輸出功率產(chǎn)生的誤差明顯大于非薄弱處，高達(dá)10%，均小于設(shè)置功率。

綜上所述，殼體結(jié)構(gòu)會(huì)影響半導(dǎo)體激光器輸出功率的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)時(shí)可以對(duì)殼體薄弱環(huán)節(jié)處適當(dāng)增加剛度，通過合理的優(yōu)化避免出現(xiàn)共振現(xiàn)象，避免光路模塊安裝在殼體薄弱環(huán)節(jié)，保持激光輸出功率的穩(wěn)定性。這對(duì)提高半導(dǎo)體激光器輸出功率的穩(wěn)定性具有重要意義，可為后續(xù)對(duì)激光器設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。