Надежность твердотельных лазерных излучателей
Материал статьи – результат исследования характеристик надежности и ресурса ТТЛ на протяжении более 10 лет и на базе из более чем 600 произведенных изделий.
Надежность — это способность технического объекта или системы сохранять во времени работоспособное состояние, выполняя требуемые функции в заданных режимах и условиях (технического обслуживания, хранения) без сбоев и недопустимых изменений параметров. Таким образом, надежность твердотельного лазерного излучателя – способность сохранять свои параметры (энергию излучения, качество луча и др.) весь период хранения и эксплуатации. Снижение уровня энергии излучения или его полное отсутствие может быть особенно критично во время операционного применения систем космического, авиа или морского базирования, где своевременное обслуживание и ремонт невозможно или значительно затруднены.
Материал статьи – результат исследования характеристик надежности и ресурса ТТЛ на протяжении более 10 лет и на базе из более чем 600 произведенных изделий.
Надежность — это способность технического объекта или системы сохранять во времени работоспособное состояние, выполняя требуемые функции в заданных режимах и условиях (технического обслуживания, хранения) без сбоев и недопустимых изменений параметров. Таким образом, надежность твердотельного лазерного излучателя – способность сохранять свои параметры (энергию излучения, качество луча и др.) весь период хранения и эксплуатации. Снижение уровня энергии излучения или его полное отсутствие может быть особенно критично во время операционного применения систем космического, авиа или морского базирования, где своевременное обслуживание и ремонт невозможно или значительно затруднены.
Помимо потери стратегически важного функционала бортовых систем, где применяются лазерные излучатели, их неплановый ремонт в следствии отказа может стоить существенных финансовых, временных и репутационных потерь. Таким образом при выборе поставщика лазерных излучателей для своей системы необходимо руководствоваться требованиями к максимальной надежности и ресурсу ТТЛ, что повысит общую надежность вашей системы и сократит общую стоимость владения прибором (стоимость прибора + эксплуатационные и прочие расходы).
В целях борьбы за надежность ТТЛ последние 10 лет проводится масштабное исследование причин выхода их из строя (отказов ТТЛ), на базе из более чем 600 готовых изделий. Каждый отказ тщательно изучен, задокументирован, а причины их возникновения разделены на 6 основных категорий: нагары на оптике, брак комплектующих, разъюстировки оптических схем, эксплуатационные, производственные и прочие. В одном изделии могут одновременно проявиться различные дефекты, поэтому сумма причин больше 1.
Для минимизации возникновения отказов разработаны комплексные меры противодействия причинам их возникновения. Их внедрение позволило снизить % отказов ТТЛ практически до 0, при соблюдении требований к хранению и эксплуатации.
Для минимизации возникновения отказов разработаны комплексные меры противодействия причинам их возникновения. Их внедрение позволило снизить % отказов ТТЛ практически до 0, при соблюдении требований к хранению и эксплуатации.
Причины возникновения отказов ТТЛ
Нагары на оптике.
Традиционно ТТЛ бортового базирования имеют герметичный корпус и состоят из множества деталей и материалов: металлы, стекло, пластики, провода, электроника, клея и прочие полимеры. Многие из указанных компонентов могут выделять во внутренний объем герметичного корпуса летучие вещества, которые в последствии под воздействием лазерного излучения осаждаются на оптических деталях и в зоне облучения лучом пригорают, образуя нагары (тонкие пленки) или\и прогары оптических покрытий и стекол. Нагары на оптике поглощают и рассеивают часть излучения, что приводит к снижению выходной энергии излучения и ухудшение качества луча.
Традиционно ТТЛ бортового базирования имеют герметичный корпус и состоят из множества деталей и материалов: металлы, стекло, пластики, провода, электроника, клея и прочие полимеры. Многие из указанных компонентов могут выделять во внутренний объем герметичного корпуса летучие вещества, которые в последствии под воздействием лазерного излучения осаждаются на оптических деталях и в зоне облучения лучом пригорают, образуя нагары (тонкие пленки) или\и прогары оптических покрытий и стекол. Нагары на оптике поглощают и рассеивают часть излучения, что приводит к снижению выходной энергии излучения и ухудшение качества луча.
Следы индуцированных нагаров на зеркалах в зоне облучения лазерным излучением.
Для минимизации выделения летучих веществ из конструкционных материалов и компонентов ТТЛ специалистами нашей лаборатории исследованы более 60 различных материалов, для подавляющего большинства найдены "чистые" аналоги, проведена работа с поставщиками покупных изделий по замене их материальной базы, что позволило на порядок снизить количество загрязнений. Для адсорбции остаточных загрязнений, выделяющихся из тех материалов для которых не найдены чистые аналоги, разработан специальный патрон осушки и очистки (ПОО), поглощающий до 80% остаточных загрязнений.
Замена материалов на чистые аналоги, работа с поставщиками и применение ПОО позволили практически полностью избавиться от нагаров на оптике и, как следствие, убрать значительную долю отказов ТТЛ.
Замена материалов на чистые аналоги, работа с поставщиками и применение ПОО позволили практически полностью избавиться от нагаров на оптике и, как следствие, убрать значительную долю отказов ТТЛ.
Патрон осушки и очистки ПОО v.3
Брак комплектующих.
При серийном производстве прецизионных оптико-электронных приборов применяются множество комплектующих разных производителей, годов выпуска, технологий производства. Не смотря на наличие паспортов со штампом выходного контроля, попадаются компоненты неудовлетворительного качества. При этом брак может проявиться не сразу, а после наработки или внешнего фактора. Отслоение оптических покрытий в следствии несоблюдения технологии нанесения или неверного хранения при транспортировке, снижение контраста электрооптического затвора с двумя нелинейными кристаллами RTP из-за остаточных напряжений в металлическом основании затвора и множество других примеров - часто встречающиеся причины отказов ТТЛ.
При серийном производстве прецизионных оптико-электронных приборов применяются множество комплектующих разных производителей, годов выпуска, технологий производства. Не смотря на наличие паспортов со штампом выходного контроля, попадаются компоненты неудовлетворительного качества. При этом брак может проявиться не сразу, а после наработки или внешнего фактора. Отслоение оптических покрытий в следствии несоблюдения технологии нанесения или неверного хранения при транспортировке, снижение контраста электрооптического затвора с двумя нелинейными кристаллами RTP из-за остаточных напряжений в металлическом основании затвора и множество других примеров - часто встречающиеся причины отказов ТТЛ.
Методы борьбы с браком комплектующих заключаются в комплексном подходе: строгий входной контроль с проведением нагрузочных испытаний, выбор продукции максимального качества из всех доступных предложений на рынке и работа с выбранными поставщиками и производителями над совершенствованием их изделий и технологии производства. Поиск производителей и поставщиков компонентов максимального качества, строгое регламентирование их входного контроля - позволяет свести к минимуму брак комплектующих в процессе эксплуатации приборов.
Отслоение оптического покрытия от стеклянной подложки.
Разъюстировки.
Смещение элементов, формирующих оптическую схему излучателя, относительно номинальных положений приводит к разъюстировкам поля излучения, что негативно сказывается на энергетике и качестве луча. Разъюстировки в первую очередь связаны с внутренними напряжениями в элементах излучателя, конструктивными особенностями и превышении требований к эксплуатационным параметрам.
Смещение элементов, формирующих оптическую схему излучателя, относительно номинальных положений приводит к разъюстировкам поля излучения, что негативно сказывается на энергетике и качестве луча. Разъюстировки в первую очередь связаны с внутренними напряжениями в элементах излучателя, конструктивными особенностями и превышении требований к эксплуатационным параметрам.
Борьба с разъюстировками также является комплексной задачей: необходимо адаптировать конструкцию к предельным параметрам эксплуатации (всему диапазону рабочих температур и вибрационным нагрузкам), внедрить в оптическую схему неразъюстируемые элементы, а также особые методики юстировки и подготовки комплектующих.
Также силами наших специалистов разрабатывается компактная система автоюстировки лазерных резонаторов на основе ультразвуковых моторов на пьезоэлементах с обратной связью от фотодиодов.
Также силами наших специалистов разрабатывается компактная система автоюстировки лазерных резонаторов на основе ультразвуковых моторов на пьезоэлементах с обратной связью от фотодиодов.
Примеры разъюстированного и съюстированного полей.
Эксплуатационные.
Воздействие на излучатель недопустимых вибрационных нагрузок, температур, механических воздействий, неверное электрическое подключение, загрязнение выходной апертуры, несоблюдение требований по срокам технического обслуживания и другие причины приводят к эксплуатационным отказам ТТЛ. Для минимизации эксплуатационных отказов для каждого излучателя разрабатывается подробное руководство пользователя с описанием всех предельных параметров эксплуатации, электрических схем подключения. В электрические схемы встраиваются блокировки и защитные элементы.
Воздействие на излучатель недопустимых вибрационных нагрузок, температур, механических воздействий, неверное электрическое подключение, загрязнение выходной апертуры, несоблюдение требований по срокам технического обслуживания и другие причины приводят к эксплуатационным отказам ТТЛ. Для минимизации эксплуатационных отказов для каждого излучателя разрабатывается подробное руководство пользователя с описанием всех предельных параметров эксплуатации, электрических схем подключения. В электрические схемы встраиваются блокировки и защитные элементы.
Производственные.
К производственным отказам относится в основном несоблюдение производственной технологии, что полностью устраняется строгими регламентами, двойным контролем ответственных этапов, а также системой непрерывного повышения квалификации персонала.
К производственным отказам относится в основном несоблюдение производственной технологии, что полностью устраняется строгими регламентами, двойным контролем ответственных этапов, а также системой непрерывного повышения квалификации персонала.
Заключение.
Применение всего комплекса мер противодействия отказам позволило сократить их количество более чем в 3 раза, что в свою очередь позволяет обеспечить гарантийный срок на изделие в 24 месяца (для некоторых 36) и сократить полную стоимость владения на более чем 50%. Результаты исследований лежат в основе проектирования новых поколений ТТЛ.
Применение всего комплекса мер противодействия отказам позволило сократить их количество более чем в 3 раза, что в свою очередь позволяет обеспечить гарантийный срок на изделие в 24 месяца (для некоторых 36) и сократить полную стоимость владения на более чем 50%. Результаты исследований лежат в основе проектирования новых поколений ТТЛ.