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机载宽温域工作CO2激光器温控方法

赵紫云 陈飞 张阔 何洋

赵紫云, 陈飞, 张阔, 何洋. 机载宽温域工作CO2激光器温控方法[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2022-0089
引用本文: 赵紫云, 陈飞, 张阔, 何洋. 机载宽温域工作CO2激光器温控方法[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2022-0089
ZHAO Zi-yun, CHEN Fei, ZHANG Kuo, HE Yang. Temperature control method of CO2 laser operating in airborne wide temperature range[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2022-0089
Citation: ZHAO Zi-yun, CHEN Fei, ZHANG Kuo, HE Yang. Temperature control method of CO2 laser operating in airborne wide temperature range[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2022-0089

机载宽温域工作CO2激光器温控方法

doi: 10.37188/CO.2022-0089
基金项目: 国家重点研发计划资助项目(No. 2018YFE0203201);国家自然科学基金项目(No. 61904178)
详细信息
    作者简介:

    赵紫云(1996—),男,河南驻马店人,硕士生,主要从事高功率激光器方面的研究。E-mail:ziyzix@163.com

    张 阔(1984—),男,辽宁阜新人,博士,副研究员,2012年于吉林大学获得博士学位。主要从事高功率激光及激光应用技术研究。E-mail:cole_fx@163.com

  • 中图分类号: TN248.2

Temperature control method of CO2 laser operating in airborne wide temperature range

Funds: Supported by National Key Research and Development Program Funded Project(No. 2018YFE0203201); National Natural Science Foundation of China(No. 61904178)
  • 摘要:

    机载激光雷达是实现远距离大气精准监测的重要手段,CO2激光器工作谱段与部分大气污染物和化学物质吸收谱一致,是大气监测激光雷达的重要光源。面向机载要求,在控制体积重量的条件下实现−40 °C~55 °C宽温域工作是机载CO2激光器温控系统的设计难点。因此,本文提出一种以激光器性能和环境温度为设计输入,半导体热电制冷与强制风冷结合的闭环温控方法。根据激光器、半导体热电制冷和强制风冷等结构与传热特性,建立温控方法有限元模型,基于此模型对激光器温控性能进行研究。对于55 °C高温环境,温控系统工作25 min后,激光器温度控制在40 °C;对于−40 °C低温环境,温控系统在工作20 min后,激光器温度控制在25 °C,满足激光器正常工作要求。根据激光器及建立的温控方法,开展高低温环境下激光器工作能力实验研究,采集实验过程激光器温度数据,测量高低温条件下激光输出能力。实验结果表明:实测激光器温度与有限元仿真温度数据基本吻合,两者误差小于10%;在高低温条件下采用所提出的温控方法的激光器可以正常工作,输出功率与室温条件下激光器输出功率一致。

     

  • 图 1  高峰值功率CO2激光器

    Figure 1.  CO2 laser with high peak power

    图 2  CO2激光器温控结构

    Figure 2.  Temperature control structure of CO2 laser

    图 3  CO2激光器温控有限元模型

    Figure 3.  Finite element model of CO2 laser

    图 4  散热结构模型

    Figure 4.  Heat-dissipating Structure model

    图 5  散热翅片间距为5 mm时,不同转速风扇形成的对流换热区域温度分布

    Figure 5.  Temperature distribution of convection heat transfer region formed by fans at different rotate speeds when the fin spacing is 5 mm

    图 6  散热翅片间距为3 mm时,不同转速风扇形成的对流换热区域温度分布

    Figure 6.  Temperature distribution of convection heat transfer region formed by fans at different rotate speeds when the fin spacing is 3 mm

    图 7  高温环境下,基于温控制冷的激光器温度分布

    Figure 7.  Temperature distribution of laser based on temperature control cooling in high temperature environment

    图 8  高温环境下,激光器表面监测点温度随时间变化

    Figure 8.  Temperature of the monitoring point on the laser surface changing with time in high temperature environment

    图 9  低温环境下,基于温控加热的激光器温度分布

    Figure 9.  Temperature distribution of laser based on temperature control heating in low temperature environment

    图 10  低温环境下,激光器表面监测点温度随时间变化

    Figure 10.  Temperature of the monitoring point on the laser surface changing with time in low temperature environment

    图 11  CO2激光器高低温实验平台

    Figure 11.  High and low temperature experimental setup of CO2 laser

    图 12  高温环境实验测量温度数据与仿真对比

    Figure 12.  Comparison of experimental measured temperature data and simulation in high temperature environment

    图 13  低温环境实验测量温度数据与仿真对比

    Figure 13.  Comparison of experimental measured temperature data and simulation in low temperature environment

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出版历程
  • 收稿日期:  2022-04-30
  • 录用日期:  2022-06-28
  • 网络出版日期:  2022-08-20

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