随着社会和科学技术的高速发展和进步，激光雷达技术也在工业和民用技术中得到愈来愈广泛的应用，相比其他行业，激光雷达技术还处于早期初阶阶段，光机设计水平、设计人员和经验技术都相对比较匮乏，为了提高雷达的整体工作稳定性和相关人员的光机设计水平，本文将以基于固体激光器的气溶胶激光雷达为例，从机械系统的角度介绍激光雷达设计的重点、难点方向，以及常用的部分解决思路和方法，希望对相关设计人员有一定的帮助。
一、气溶胶激光雷达的系统组成及设计重难点
气溶胶激光雷达硬件系统主要由发射、接收、数据采集、控制以及数据和信号的传输等部分组成。
在整个系统中，对于机械结构来说，重点是发射端的固体激光器、接受端的望远镜以及激光器和望远镜的相对稳定性最为关键。
对于固体激光器，核心问题一方面是要解决泵浦源和放大器的散热，以及相关晶体的导热、散热问题，这些器件对温度比较敏感，功率密度也比较大，尤其是放大器的功率还比较高；另一方面，因为激光器属于精密光学仪器，对结构的稳定性要求也更高，不能因为机械应力或者热应力引起变形而导致仪器性能的变化。
对于接收端的望远镜，重点是要确保望远镜主次镜的相对位置稳定可靠，以及主次镜的装夹不能有太大的应力，否则将会导致镜面的变形而影响光学性能，尤其是叠加热应力和外力引起的额外机械应力。
对于整个光路系统而言，关键是要保证发射端激光器、接收端望远镜以及它们之间的光路连接部分相对稳定，只有这样才能保证整个系统光学性能的稳定和可靠。
二、发射端之激光器的散热设计
发射端激光器的热源主要集中在泵浦种子源、放大器以及部分晶体，这些器件对温度比较敏感，变化稍大就会导致整个系统性能的降低甚至不可用。
对于泵浦种子源、放大器和晶体等需要散热的器件，通常需要使用电子制冷器TEC对它们进行环控，并精确控制，一般要求温控精度要达到±0.1℃，高的甚至达到±0.05℃。除此之外，对于泵浦种子源、放大器等有源器件，还需要在器件和电子制冷器TEC之间增加紫铜垫块进行必要的转接和冷热缓冲；而对于晶体等无源器件，则需要在晶体夹具和晶体之间垫一层铟箔，以保证晶体热量的快速导出并保持晶体温度的均匀。
在激光器内部，相关热源器件的温度导出后，还需要将热量散发到激光器外部，这部分散热的解决方案中，性价比和实施方便性最高的就是采用风冷散热，对于系统功率特别高的一般采用水冷方案，特殊条件下还会采用热管散热、均温板等新的技术。
三、发射端之激光器的结构稳定性设计
发射端的固体激光器主要是将各种光学有源器件、光学镜片和晶体等无源器件安装在一个平台上并进行光学装调以达到输出稳定的光束质量，因此，这个承载光学器件的平台或客体的结构设计尤为关键。
首先，光学平台或壳体的强度必须保证，通常可以将壳体的底面安装板或平台设计厚一点，结合加强筋的设计提高底板或平台的强度，而不必过多增加质量；另外，壳体侧壁尽可能做薄，避免壳体侧壁受力引起整个光学安装平面的应力变形；除此之外，壳体或者平台机加工还需要进行多次去应力处理，防止激光器装调好了因为内部应力的释放导致微变型而引起光学性能的降低。
其次，整个固体激光器的安装脚最好有一定的柔性结构设计，具体可以根据不同的安装方向、受力方向切割一些应力释放槽或者变形空间余量，确保即使安装面不平整也不会将应力传递到激光器的光学安装面上而引起性能的不稳定。另外，激光器的安装脚数量通常设计为3个，具体分布位置需要根据整体结构的情况而定。
最后，激光器的稳定性和可靠性，还跟其防护相关，通常要求光学壳体做到气密，并在内部放置干燥剂，条件允许的话还可以在腔内充气以保证里面维持正压，因为激光器内部光学器件对湿气和灰尘都比较敏感，尤其是倍频晶体容易潮解而导致性能的降低，而微小的尘埃也会损坏相关光学镜片表面的镀膜层，也正因为如此，激光器的装调一般在千级洁净室内进行，要求高点的甚至需要在百级洁净室进行装调。
四、接收端的稳定性设计
接收端结构稳定性的重点在于，一方面要解决好望远镜的主次镜的稳定性，另一方面需要尽可能的降低背景噪声。
对于主次镜的稳定性，主要是解决主次镜镜体的装夹不能给镜体带来过大的应力，通常主镜尺寸大质量高，一般采用圆周三点上下装夹固定，且金属夹具不能直接作用在镜体上，需要在夹具和镜体之间增加塑料垫，一般以聚四氟乙烯为佳；另外，主次镜的稳定性还跟它们的相对位置的稳定密切相关，原因在于主次镜同在安装在镜筒两端，而镜筒在温度变化过程中会发生热胀冷缩现象，这就导致主次镜的轴向相对位置随之发生改变从而导致系统失调，因此，在望远镜结构设计时需要考虑温度反向补偿，解决办法一方面可以采用热变形系数相反的材料，另一方面也可以采用热变形系数相差较大的材料进行补偿，具体需要根据补偿量选择合适的材料。
关于降低背景噪声的解决措施主要有如下两点：第一，接收系统中的望远镜以及后继光路模块等全部零部件表面处理为黑色，望远镜镜筒内表面最好粗糙一点且做成哑光效果；第二，后继光路做好光密封处理，如果是用胶或者密封圈，建议采用黑胶和黑色的密封圈。
五、系统结构稳定性设计
激光雷达的系统结构稳定性主要受两个因素的影响较大，一个是机械应力变形，另一个是热应力变形，因此，要想整个激光雷达系统运行稳定、可靠，重点就是解决好以上两个问题。
关于激光雷达系统层面的机械应力变形，除了发射端的激光器系统、以及接收端的望远镜系统和后继光路模块自身要稳定可靠外，另外就是承载发射端和接收端的光学主体结构自身，以及它们之间的相对位置也必须稳定、可靠。这个光学主体结构除了承载自身光路系统的质量带来的应力，另外还有整个系统外部安装带来的应力，所以外部安装脚的设计需要考虑柔性结构设计，确保外部应力不会传递到内部光学系统。
而激光雷达系统层面的热应力变形问题，系统设计时有几个原则需要注意，一个是光学系统零部件尽量采用同质材料，确保机械和热学性能的一致性，另外就是优先保证激光器位置放置在上风口或者水道的进水口。
六、系统防护设计
激光雷达为精密光学仪器，对环境工况要求较高，尤其是应用在户外的露天场景，因此整个系统需要做好相关的防护设计，除了传统的防尘防水设计外，最关键的是要做好窗口处的防结露设计。窗口的防结露通常是，一方面在窗口镜上设计加热装置直接加热，也可以设计吹热风的装置间接加热窗口镜；另一方面是控制激光雷达的内部湿度，通常可以设计可更换可维护的干燥剂装置，或者采用电子除湿装置，而它们都有一个共同的前提，就是整个结构的密封性能必须做好。
结语：
气溶胶激光雷达属于较复杂的精密光学仪器，要保证整个系统光学性能的稳定、可靠运行，对于机械结构来说，重点是解决好发射端的激光器、接受端的望远镜以及激光器和望远镜相对位置的稳定性问题，尤其是核心的激光器自身稳定性，而解决这些问题可以综合利用应力释放槽、柔性设计和热变形补偿等方法以解决机械应力变形和散热设计问题。由于激光雷达系统的复杂性，不仅需要关注重点部位和重点方向的局部设计，同时也要协调局部和整体的稳定性设计。