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光纤激光器是一种以光纤为增益介质的激光器，具有质量轻、可靠性高等诸多优点，在国防、航空、工业等领域得到了非常广泛的应用[1-6]。近年来，随着光纤技术的发展，光纤激光器成为了国内外诸多学者的研究对象，在光纤技术、激光种子、光纤激光光学结构等方面取得了很大发展，促使光纤激光器的波长更加丰富，体积更加小型化，但是国内外学者对于光纤激光器壳体结构的研究，特别是小型化壳体结构的研究较少。2022年，ZHANG等人[7]针对小型化光纤激光器进行了水冷板结构的仿真分析和散热优化，实现了最大功率为2.2 kW的连续激光输出时，热耗器件安装位置处的最高温度为32.1 ℃，且光学参数正常，为光纤激光器的热仿真以及散热优化提供很好参考。2015年, PENG等人[8]分析了4种工况下抽运源的温度场特性，并进行了散热结构改进的初步研究，得出了改变氮化铝陶瓷基板和铜热沉的厚度可在一定程度上降低结温的结论，为光纤激光器抽运源的散热设计提供一定参考。2021年，GENG等人[9]分析了导致激光发射光轴产生偏离的原因，从而确定激光测照器的发射光轴不稳定的原因并给出优化意见，为小型化激光器壳体结构的设计提供一定参考。2015年, DORUK等人[10]对空间用光纤激光器的壳体结构进行了相关研究与分析，总结了空间激光器设计的一般步骤及相关仿真与实验方法，为空间光纤激光器的设计提供了非常好的依据。
应用环境较为严苛时，小型化壳体结构在特殊环境会受到加速度过载、随机振动、冲击、高低温等环境影响，这些因素会使激光器内部器件相对位置发生微小变化，过大的振动响应也会使光学关键器件失效，给激光器带来极大的危害。本文中对小型化光纤激光器壳体结构进行了设计与仿真分析，并对其进行了相关实验，仿真及实验结果符合小型化光纤激光器设计要求，为小型化光纤激光器项目的进一步实施提供了依据。
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小型化全光纤1030 nm激光器主要由半导体激光二极管(laser diode, LD)、光纤光栅、增益光纤、合束器、温控系统、驱动源等组成。激光抽运源采用915 nm的LD，增益光纤采用双包层掺镱光纤激光束的输出；激光驱动源为抽运源和温控装置提供稳定的供电和控制；温控装置用于控制激光抽运源温度，实现激光器的稳定运转。1030 nm光纤激光器由光路系统与电路控制系统、电源结构组成。激光器结构如图 1所示。激光器的主要技术指标如表 1所示。
Figure 1. Main block diagram of 1030 nm laser
wavelength 1030 nm±3 nm out power ＞10 W power stability ±3% power supply DC 28 V volume 220 mm×270 mm×75 mm weight ＜7 kg operating temperature -55 ℃~45 ℃ Table 1. Technical specifications of laser
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激光器主要指标要求以及小型化应用的特殊环境，决定了激光器壳体设计要有高强度、高稳定性、良好的散热性能。小型化激光器在特殊环境中壳体结构处于很复杂的力学环境，激光器会受到加速度过载、随机振动、冲击、高低温等环境影响，因此在结构设计时，要把壳体结构的抗振性设计作为壳体结构的设计重点，要保证壳体在力学环境下能够不被破坏且随机振动加速度响应要尽量小，保证LD等关键光学器件不被振动损坏，另外要兼顾激光器的散热性能，要能够保证激光器的热量及时有效地散出。
基于以上分析，小型化光纤激光器壳体的设计原则主要有以下几点：(a)激光器壳体需要足够的壁厚来增加激光器的强度与刚度，保证激光器壳体结构不被破坏; (b)激光器壳体结构要有一定的减振设计，使随机振动加速度响应尽量小，保证激光器LD等关键光学器件不因振动而损坏; (c)激光器壳体结构要有良好的散热性能，热传递路径要短，且要减少热传递的接触面，减小热阻，保证激光器热量及时有效的散出。
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根据小型化光纤激光器壳体结构设计原则，利用建模软件对小型化光纤激光器壳体结构进行了设计。
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光纤激光器壳体如图 2所示。主壳体壁厚为7 mm，底厚为7 mm，激光器采用光、电独立的背靠背设计，中间设计有风道。高温环境下，通过3个40 mm×40 mm×20 mm散热风扇进行散热，壳体上直接加工散热翅片，散热齿距设计为8 mm，齿宽为3 mm，齿高为10 mm，且各发热元件直接固定于壳体之上，缩短传热路径，减小热阻，低温环境下通过加热片对壳体进行加热，壳体材料为6061-T6铝合金。
Figure 2. Mode of fiber laser shell
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为了减小振动对激光器的影响，对激光器支撑结构进行了特殊减振设计，采用了柔性支撑结构，这种结构利用材料的微小变形与自回复的特性，不但可以隔振、消除部分装配应力，还可以吸收由温度变化所引起的机械应力以及变形。
柔性支架的设计经历了多次迭代优化，目的是使激光器以最低允许的频率共振，从而使激光器随机振动时，高频能量可以得到很好地衰减。柔性支架的缺口设计是柔性支架设计的重点，过渡圆角以及柔性支架的最小厚度决定着柔性支架的力学表现，过渡圆角小会产生应力集中，过大会增加柔性支架刚度。
通过优化柔性支架的缺口参数，使激光器以最低允许的频率共振。研究要求激光器结构基频不得低于400 Hz, 低于400 Hz激光器与小型化平台会存在共振的风险, 会对结构造成严重破坏。因此激光器壳体结构的基频设计要求为结构基频不低于400 Hz且尽量接近400 Hz，在工程设计中为保证绝对的安全，一般留有一定的安全裕度，因此激光器壳体结构基频设计在430 Hz~450 Hz范围内为最佳，既保证结构安全，又会使激光器以最低允许的频率共振。激光器壳体机构结构优化的数学模型见参考文献[11]。
柔性支架的几次关键迭代如图 3所示。起初的设计如图中的version 1~version 3。通过壳体结构模态分析，得到激光器壳体结构基频分别为757 Hz、681 Hz和530 Hz，远远高于最低允许频率400 Hz，需要进一步减小缺口厚度，减小过渡圆角降低柔性支架刚度，降低基频。根据结构优化数学模型进一步调整柔性缺口参数，最终确定了激光器柔性支架过渡圆角，最小厚度为2 mm，结构模态分析显示基频为443.12 Hz，较最低允许频率仅高43 Hz左右，满足激光器壳体结构基频设计要求，柔性支架设计符合要求。柔性支架材料为TC4钛合金，激光器采用4个柔性支架固定。最终壳体结构模态分析结果如图 4所示。
Figure 3. Mode of flexible support
Figure 4. Modal analysis results
2.1. 设计原则
2.2. 壳体结构设计
2.2.1. 主壳体设计
2.2.2. 柔性支撑架设计与优化
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小型化全光纤1030 nm激光器的热源主要有LD以及驱动电源。激光器常温功耗为45 W，输出10 W连续1030 nm激光，产生热量35 W，其中，LD产生的热量较大，约为25 W, 剩余10 W为电源产生，高温时，采用半导体热电制冷器(thermoelectric cooler, TEC)对LD进行温控，要求TEC热面温度不超过60 ℃，以保证TEC工作效率。其它器件几乎无热量产生。激光器LD位于壳体上层，电源位于壳体下层，且各器件直接固定于壳体之上，热源与壳体之间涂抹导热硅脂来进一步减小接触热阻[12-13]。
利用有限元分析软件进行激光器热分析，采用瞬态热分析的方法[14-17]检查激光器工作时各光学器件的温度是否符合使用要求。由于高温环境对激光器性能影响较大，因此热分析时，设定环境温度为45 ℃，激光器每次工作时间为10 min，网格划分完成后的有限元模型如图 5所示。
Figure 5. Finite-element model after mesh
在划分完成后的有限元模型上施加边界条件，LD施加30 W热量，电路热源施加10 W热量，散热翅片采用对流换热，环境温度为45 ℃，对流换热系数为35 W/(m2·℃)，工作时间为10 min，每30 s读取一次最热点温度。对有限元模型进行求解，求解完成后的激光器热分析结果如图 6所示。
Figure 6. Results of laser thermal analysis
从分析结果可以看出，激光器最热点为TEC热面，温度约为49.5 ℃，壳体温度为39.5 ℃~49.5 ℃。TEC热面有其规定工作极限相比的正余量，激光器热设计符合要求。
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小型化光纤激光器在特殊环境中，会受到加速度过载、随机振动、冲击等环境影响，其中随机振动对激光器性能的影响最大，要保证壳体在随机振动环境下能够不被破坏且随机振动加速度响应要尽量小，保证LD等关键光学器件不被振动损坏。小型化平台随机振动实验条件[18]如图 7所示。图中，L0、L1、L2、L3表示振动量级，单位为g2/Hz；f0、f1、f2、f3分别表示振动量级对应的频率，频率范围为15 Hz~2000 Hz；dB/oct表示分贝/倍频程(octave)。
Figure 7. Random vibration test conditions of airborne platform
利用分析软件对激光器进行了随机振动分析，得到了激光器在小型化平台下激光器的应力以及LD的随机振动响应曲线[19-22]，分析结果如图 8所示。从图 8的分析结果可知，激光器随机振动3σ应力最大值为171 MPa，远小于钛合金的许用应力，结构强度有很大的正余量。LD随机振动响应峰值多发生在低频区间，说明柔性支架将高频能量衰减，起到了良好的减振效果。计算得到LD随机振动响应均方根值为24.5 g, 小于规定的30 g，结果有很大的正余量，结构力学设计满足要求。
Figure 8. Result of random vibration analysis
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对装配好的小型化全光纤激光器进行了热实验以及随机振动实验，如图 9所示。
Figure 9. Thermal test and random vibration test
热实验中，实验箱温度设定为45 ℃，并在TEC处设置温度监控点，用来监测TEC热面温度变化情况，检验激光器的散热能力。热实验记录了激光器工作10 min TEC热面温度的变化情况。随机振动实验中，在LD处设置加速度传感器，用来监测LD处随机振动加速度响应情况。热以及随机振动实验结果如图 10所示。
Figure 10. Thermal test and random vibration test result
利用功率计对激光器功率进行测试，测试激光器的功率变化情况，测试时间为10 min，每隔30 s记录一次功率数值，激光器功率测试曲线如图 11所示。
Figure 11. Curve of power test
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(a) 热实验结果：激光器开始工作时，TEC热面温度先迅速上升，后来趋于平缓，激光器工作10 min，TEC热面温度由25 ℃升至50.4 ℃，与环境温度45 ℃相比，温升约为5 ℃，散热性能良好；TEC热面温度与其规定工作极限60 ℃相比，有很高的正余量。热实验结果与仿真结果吻合度较高，激光器热设计符合要求。
(b) 随机振动实验结果：激光器振动前后结构无明显破坏，LD处随机振动加速度响应峰值均在低频区间，说明高频能量被有效衰减，柔性支架减振效果良好；实验显示，随机振动响应均方根值为25.01 g, 较仿真结果24.5 g略高，但与其规定工作极限30 g相比，有很高的正余量。实验数据与仿真数据吻合度较高，结构力学符合设计要求。
(c) 功率测试结果：激光器在前300 s功率波动较大，这是由于激光器刚开始工作时，TEC正在对LD进行控温，LD温度尚不稳定，因此功率波动较大。300 s以后，LD温控结束，功率趋于稳定。测试曲线显示，激光器在90 s时检测到最大功率值为10.31 W，在210 s时检测到最小功率值为10.12 W, 功率不稳定度为1.9%。
(d) 从实验结果可以看出，实验与仿真结果存在一定误差。热实验结果中，TEC热面升温速度要比仿真结果偏大，但总体趋势较为一致；随机振动实验结果与仿真结果在低频区间吻合度较好，高频响应存在一些误差，但总体趋势也较为一致。实验结果表明，激光器结构热、力仿真方法正确。
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热实验结果中，TEC热面升温速度与温度要比仿真结果偏大，分析主要原因是：在仿真过程中，TEC与壳体热阻设置偏大，导致TEC热面热量传导至壳体上的热量稍小，从而使仿真温度较实验结果偏低。接下来应通过调整TEC与壳体热阻，使实验结果与仿真结果进一步吻合。
随机振动实验结果中，LD处随机振动加速度响应均方根值较仿真结果略高，扫频结果显示激光器基频比仿真时略高，说明仿真时激光器结构刚度偏小，分析主要有以下原因：(a)仿真时摩擦系数设置可能偏小, 柔性支撑架与壳体接触为摩擦接触，摩擦系数大小决定了结构刚度的大小，需要进一步调整摩擦系数，来修正仿真结果；(b)仿真时系统阻尼系数设置偏小, 系统阻尼系数大小同样决定了结构刚度的大小，仿真时按照工程经验进行了阻尼系数的选取，可能存在一定误差。
在接下来的工作中，需要根据实验数据进一步修正仿真参数，使仿真结果与实验结果进一步吻合，确定仿真参数，为小型化全光纤激光器正样机的研制提供可靠依据。
5.1. 结果分析
5.2. 仿真与实验误差讨论
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设计了一款小型化的1030 nm、输出功率大于10 W、高稳定性的全光纤激光器壳体结构。壳体结构采用柔性支撑的减振设计，并可使激光器在温度-55 ℃~45 ℃下保持正常运行。利用有限元分析软件对激光器壳体进行了热分析与随机振动分析，分析结果显示: 激光器壳体在45 ℃下，激光器最热面温度为49.5 ℃，温升约为4.5 ℃，散热性能良好；在功率谱密度总均方根值为10.77 g的随机振动条件下，激光器最大3σ应力为171 MPa，随机振动响应均方根值仅为24.5 g，壳体结构力学性能良好。对小型化全光纤激光器样机进行了实验验证，实验结果表明：激光器壳体结构的散热性能以及力学性能完全满足设计要求，实验结果与仿真结果吻合度较高，实验与仿真结果为小型化光纤激光器项目的具体实施提供了一定的参考。
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