Progettazione e realizzazione di un banco di misura per la qualifica termica di sorgenti laser industriali conforme allo standard MIL-STD-810H

This thesis describes the design and construction of a test bench for performing controlled thermal cycling on industrial laser sources. The apparatus is designed to test devices under different controlled thermal conditions, studying their behavior, operational stability, and the repeatability of performance specifications after the laser device has been subjected to a specific cooling/heating cycle. The project was developed in accordance with the MIL-STD-810H standard, a US military standard that defines methods and procedures for environmental testing of electronic equipment. This standard allows for the reproduction of extreme operating conditions of temperature, humidity, and vibration, with the aim of verifying their reliability and robustness. The design involved several areas: mechanical, thermoelectric, and software development. The first concerns the physical design of the bench, including the sizing of the cooling system, the plates required to support the test devices and thermoelectric cooling (TEC) modules, and the PVC cover that allows the insertion of dry air for low temperatures. The thermoelectric component focuses on the operation and selection of TEC modules, particularly the Peltier cells, used in the setup. The software design focuses on system programming and thermal cycle management. A graphical user interface (GUI) has also been developed for remote computer control, allowing test parameters to be set, thermal variables to be monitored in real time, and acquired data to be automatically recorded. The system enables comparative pre- and post-thermal cycle tests to evaluate the effects of thermal stress on laser sources. Possible scenarios include variations in emitted optical power, alterations due to bonding issues with the internal optics, or beam misalignment. The test bench is therefore an effective tool for characterizing laser devices intended for high-precision applications and designed to operate in harsh environments or after having been exposed during transport to temperatures significantly higher or lower than those required.

La presente tesi descrive la progettazione e la realizzazione di un banco di test per effettuare cicli termici controllati su sorgenti laser industriali. L’apparato realizzato è finalizzato a testare i dispositivi sotto differenti condizioni termiche controllate, per studiarne il comportamento e la stabilità operativa e la ripetibilità delle prestazioni indicate in specifica dopo che il dispositivo laser è stato sottoposto ad uno specifico ciclo termico di raffreddamento/riscaldamento. Il progetto è stato sviluppato in riferimento allo standard MIL-STD-810H, una norma militare statunitense che definisce metodi e procedure per test ambientali su apparecchiature elettroniche. Tale standard consente di riprodurre condizioni operative estreme di temperatura, umidità e vibrazione, con lo scopo di verificarne l’affidabilità e la robustezza. La progettazione ha coinvolto diversi ambiti: meccanico, termoelettrico, e sviluppo software. Il primo riguarda la progettazione fisica del banco, con il dimensionamento del sistema di raffreddamento, delle piastre necessarie al supporto dei dispositivi di test e dei moduli di raffreddamento termo-elettrico (TEC), e della copertura in pvc per consentire l’inserimento di aria secca per le basse temperature. La parte termoelettrica è basata sul funzionamento e sulla scelta dei moduli TEC, in particolare delle celle Peltier da utilizzare nel setup. Il design del lato software è relativo alla programmazione del sistema e alla gestione dei cicli termici. È stata inoltre sviluppata un’interfaccia grafica (GUI) che consente il controllo remoto tramite computer, permettendo di impostare i parametri di prova, monitorare in tempo reale le variabili termiche e registrare i dati acquisiti in maniera automatica. Con il sistema realizzato si possono eseguire prove comparative pre- e post- ciclo termico, valutando gli effetti dello stress termico sulle sorgenti laser. Situazioni che si possono verificare riguardano variazioni della potenza ottica emessa, alterazioni dovute a problemi di incollaggio delle ottiche interne o disallineamenti dei fasci. Il banco di test rappresenta quindi uno strumento efficace per la caratterizzazione di dispositivi laser destinati ad applicazioni di alta precisione e progettate per funzionare in ambienti ostili o dopo avere subìto in fase di trasporto l’esposizione a temperature significativamente più alte o più basse rispetto a quelle richieste.