(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210962474.9 (22)申请日 2022.08.11 (71)申请人 西安铉光科技有限公司 地址 710048 陕西省西安市高新区瞪羚路 26号西安理工大学科技园E座312-07 号 (72)发明人 谭浩楠　朱凌建　姜欢　崔强　 朱佳祥　张芷民　 (74)专利代理 机构 贵阳中新专利商标事务所 52100 专利代理师 胡绪东 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) H01S 3/041(2006.01) G06F 111/10(2020.01)G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 一种激光管加热 结构优化设计方法 (57)摘要 本发明公开了一种激光管加热结构优化设 计方法， 该方法包括： 建立激光管的结构 模型； 采 用有限元分析模 型重新进行优化； 对激光管的模 型进行热仿真分析得到激光管的温度分布数据； 建立激光管加热结构的数学分析模 型， 对影响激 光管的热均匀性因素进行分析； 根据数学模型中 的各影响因素建立激光管加热结构的不同模型， 进行热仿真分析， 并在此基础上对激光管的加热 结构进行正交优化设计， 不断调整各参数直到激 光管的热均匀性满足设计要求。 本发 明能够用于 指导He‑Ne激光器的激光管的加热结构设计， 提 高激光管的热均匀性， 使激光器的频率更稳定 。 权利要求书1页 说明书5页 附图3页 CN 115310328 A 2022.11.08 CN 115310328 A 1.一种激光管加热 结构优化设计方法， 其特 征在于： 该 方法包括以下步骤： （1） 根据He ‑Ne激光器的激光管 结构参数和尺寸， 用三维建模软件建立激光管的模型； （2） 用ANSYS的Geometry模块读取建立好的激光管模型， 在Geometry模块中对模型的结 构参数通过geometry  模块的优化算法得到重新建模后的模型结构参数， 并将优化后的模 型输出到ANSYS的热分析模块 Icepak中； （3） 根据激光器工作的初始环境和结构热参数， 在热分析模块Icepak中设置热分析的 初始条件和激光管模型 的材料参数， 并在此基础上对模型进行网格划分， 在划分好网格的 激光管模 型上设定多个温度监控点， 在热分析模块Icepak中得到的热仿真结果即为激光管 的工作温度； （4） 根据热稳频激光管的温度分布特点， 建立激光管的热结构模型， 对建立的激光管加 热结构模型进行分析并建立数 学模型， 分析模型中各因素对激光管温度分布的影响； （5） 建立影响激光管热均匀性的不同的热结构模型， 重复步骤 （1） ‑（3） ， 在热分析模块 Icepak中得到各因素对激光管温度分布的影响因子， 在此基础上， 对不同的激光管加热结 构模型进行整合完成激光管加热结构模型的正交优化设计， 再次重复步骤 （1） ‑（3） 直到激 光管的热均匀性满足设计要求。 2.根据权利要求1所述的一种激光管加热结构优化设计方法， 其特征在于： 步骤 （1） 中 激光管加热结构包括从内到外的激光管、 电阻丝构成的加热层、 导热胶构成的导热层和隔 热材料构成的隔热层。 3.根据权利要求2所述的一种激光管加热结构优化设计方法， 其特征在于： 步骤 （3） 中 在激光管模型上等间距设置多个温度监测点， 根据热仿 真得到的温度数据对激光管的加热 结构进行优化。 4.根据权利要求2 ‑3任一所述的一种激光管加热结构优化设计方法， 其特征在于： 步骤 （4） 中按照激光管的加热结构模型建立数学分析模型， 并根据数学模型对影响激光管温度 分布的因素进行分析。 5.根据权利要求4所述的一种激光管加热结构优化设计方法， 其特征在于： 激光管加热 结构的数 学模型为： 式中， 为激光管的热结构模型达到热平衡时产生的总热量， 为空气的对流换热系数， 为 隔热层到激光管中心的距离， 为激光管谐振腔的长度， 和分别为隔热层表面的温度和外界 环境的温度。 6.根据权利要求2 ‑3任一所述的一种激光管加热结构优化设计方法， 其特征在于： 步骤 （5） 中对影响激光管温度分布均匀 性的各因素进行仿真分析， 并在此基础上对激光管 的加 热结构进 行正交优化设计， 调整参数直到激光管腔体的温度差异小于1℃， 最 终得到优化的 激光管加热 结构模型。 7.根据权利要求6所述的一种激光管加热结构优化设计方法， 其特征在于： 激光管加热 结构的仿 真分析包括隔热层的厚度、 隔热材料的导热系数、 电阻丝的缠绕间距和圈数， 并基 于仿真结果 不断优化设计激光管的结构， 直到 激光管的温度分布差 达到设定阈值。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115310328 A 2一种激光管加热结构优化 设计方法 技术领域 [0001]本发明涉及一种激光管加热 结构优化设计方法， 属于 激光管加热 结构技术领域。 背景技术 [0002]He‑Ne激光器的频率稳定度是超精密测量的关键性能指标之一， 激光外差干涉测 量系统通常以双频He ‑Ne激光器的波长作为测量标准进 行长度、 位移 等物理量的测量， 激光 器的频率稳定度直接影响测量的精度。 [0003]双频He‑Ne激光器常用的稳频方法有兰姆凹陷稳频、 饱和吸收稳频、 塞曼 效应稳频 和双纵模稳频， 这些稳频方法大多都是通过对激光器的谐振腔长度进行精确控制实现稳 频， 使激光管频率稳定。 其中， 双纵模稳频激光器由于其结构 较为简单， 控制策略容易 实现， 并且具有较高的频率稳定度而得到广泛应用。 双纵模稳频激光器一般采用热控制实现激光 器稳频， 即在激光器的激光管谐振腔上紧密缠绕电阻丝， 通过控制电阻丝的发热量实现激 光管的腔体温度调节从而达 到稳频控制的目的。 [0004]目前， 市面上常见的双纵模稳频激光器大多数为自散热型激光器， 这类激光器的 工作温度通常在60 ‑70℃， 频率稳定度在10 ‑8量级。 对于自散热型激光器， 若激光器不能充 分受热及散热， 激光器出射频率达到稳定时的温度点受激光管温度与环境温度影响较大， 导致每次达到稳频的温度点不同。 同时， 采用热稳频的激光器易受外界环境因素变化的影 响， 使激光器频率稳定性和复现性较差。 因此， 分析热稳频激光器的激光管的温度场分布并 优化激光管的加热结构， 提高激光管的热均匀性对于进一步提升激光器的频率稳定度具有 重要作用。 发明内容 [0005]本发明要解决的技术问题是： 提供一种激光管加热结构优化设计方法， 其目的是 提升激光管腔体的热均匀性， 并增强其 抗环境干扰的能力， 提高激光器的频率稳定度。 [0006]本发明采取的技术方案为： 一种激光管加热结构优化设计方法， 该方法包括以下 步骤： （1） 根据He ‑Ne激光器的激光管结构 参数和尺寸， 用三维建模软件 建立激光管的模 型； （2） 用ANSYS的Geometry模块读取建立好的激光管模型， 在Geometry模块中对模型 的结构参数通过该模块自带的优化算法优化得到重新建模后的结构参数， 并将优化后的模 型输出到ANSYS的热分析模块 Icepak中； （3） 根据激光器工作的初始环境和结构热参数， 在热分析模块Icepak中设置热分 析的初始条件和激光管模型 的材料参数， 并在此基础上对模型进行网格划分， 在划分好网 格的激光管模 型上设定多个温度监控点， 在热分析模块Icepak中得到的热仿真结果即为激 光管的工作温度； （4） 根据热稳频激光管的温度分布特点， 建立激光管的热结构模型以提高激光管说　明　书 1/5 页 3 CN 115310328 A 3