王殿湘,尹國福,賀愛鋒,陳建華,李黎明
(1.海軍駐西安彈藥專業(yè)軍事代表室,陜西 西安,710043;2.陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安,710061)
隨著激光點(diǎn)火技術(shù)的不斷發(fā)展,以及武器、航空、航天等領(lǐng)域的需求,激光單點(diǎn)點(diǎn)火已不能滿足需要,在開展激光多點(diǎn)點(diǎn)火技術(shù)研究的同時(shí),國內(nèi)外為了提高激光點(diǎn)火系統(tǒng)可靠性,在系統(tǒng)自檢方面也展開了相應(yīng)的研究。1993年Jacobs、Richard采用兩種不同波長的激光即完成了傳輸網(wǎng)絡(luò)的光路完整性檢測[1];1998年美國Wood,Lance A等人提出了一種基于PBIT(Photoluminescence built-in-test)的方案[2];2005年美國國家航天航空局發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)AIAA-S-113-2005《發(fā)射和空間飛行器用爆炸系統(tǒng)和裝置鑒定》中要求激光火工品應(yīng)采用系統(tǒng)嵌入式自檢,而且檢測激光脈沖與起爆激光脈沖的波長應(yīng)有所不同[3]。1998年Mark F.Folsom的美國專利USP 5914458[4]和2002年太平洋科技Quantic公司開發(fā)的光通路連續(xù)性檢測裝置系統(tǒng)[5]采用了雙光纖(包括發(fā)火光纖和探測光纖)單波長的檢測方法。
目前,陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所已開展了激光多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)研究以及系統(tǒng)檢測的探索性研究[6-7],航天692廠聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)光纖研究中心采用光纖傳像原理設(shè)計(jì)了內(nèi)窺式光纖成像激光點(diǎn)火檢測系統(tǒng)[8],其不足之處在于未實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)光路完整性的定量檢測,而且設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大。
本文針對(duì)激光點(diǎn)火系統(tǒng)可能因光纖折斷、端面污染、光開關(guān)損壞等而出現(xiàn)發(fā)火光路的不完整,致使系統(tǒng)可靠性降低的問題,建立了具有自診斷檢測功能的激光點(diǎn)火系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)激光多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)的同步定量檢測,對(duì)激光點(diǎn)火系統(tǒng)在武器系統(tǒng)中的應(yīng)用具有重要意義。
激光多路點(diǎn)火系統(tǒng)主要由控制器、雙波長半導(dǎo)體激光器模塊、分束器、光纖連接器、雙光纖、激光點(diǎn)火器以及多路檢測系統(tǒng)構(gòu)成,如圖1所示。雙光纖作用原理如圖2所示。
圖1 具有自檢功能的激光多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)Fig.1 Laser multi-point initiation system with built-in test
圖2 雙光纖光學(xué)器件作用原理圖Fig.2 Principle of dual fiber optical device
本文以雙波長工作模式實(shí)現(xiàn)激光多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)的同步檢測,實(shí)驗(yàn)采用980nm大功率的激光作為激光火工品的發(fā)火光源,采用1 310nm小功率的激光作為激光多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)的檢測光源,其輸出功率必須小于激光點(diǎn)火器最大不發(fā)火功率的1/100[3]。實(shí)驗(yàn)采用B/KNO3自聚焦激光點(diǎn)火器,其最大不發(fā)火功率為40mW,因此,1 310nm檢測激光的輸出功率最大不超過400μW,否則會(huì)在系統(tǒng)檢測階段出現(xiàn)意外發(fā)火。自聚焦激光點(diǎn)火器的耦合窗口(自聚焦透鏡)處鍍有對(duì)980nm大功率發(fā)火激光全透射,對(duì)1 310nm小功率檢測激光全反射的分色濾光膜,其透過率如圖3所示。
在進(jìn)行自診斷檢測時(shí),測試出雙光纖中發(fā)火光纖端輸入至每個(gè)自聚焦激光點(diǎn)火器耦合窗口處的光功率Pout1以及每個(gè)自聚焦激光點(diǎn)火器耦合窗口反射到雙光纖中反饋光纖的光功率Pout2,由于實(shí)驗(yàn)采用的分束器為均勻分束器,且傳輸光纖的損耗很低,可忽略不計(jì),因此輸入至每個(gè)自聚焦激點(diǎn)火器的光功率Pout1相等,實(shí)驗(yàn)原理樣機(jī)如圖4所示,結(jié)果見表1。
表1 雙光纖雙波長工作模式檢測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab.1 Dual-fiber dual-wavelength model test data
圖3 分色濾光膜透過率曲線Fig.3 Transmission rate curve of color filter film
圖4 雙光纖雙波長檢測激光多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)Fig.4 Laser multi-point initiation system with dual-fiber dual-wavelength test
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:(1)在半導(dǎo)體激光器與雙光纖之間連接一條低效率(25.20%)傳輸光纜時(shí),多路檢測系統(tǒng)從雙光纖反饋端所接收1 310nm激光功率為0.346nW,接收率為0.000 45%;(2)當(dāng)半導(dǎo)體激光器與雙光纖之間任意一條光纜的彎曲直徑φ≤5mm,多路檢測系統(tǒng)從雙光纖反饋端所接受的光功率隨光纜彎曲半徑以及彎曲圈數(shù)的增加而減小。在彎曲狀態(tài)下,多路檢測系統(tǒng)對(duì)1 310nm檢測激光的最大接收效率為0.001%;(3)在半導(dǎo)體激光器與雙光纖之間連接一條纖芯折斷的光纜時(shí),多路檢測系統(tǒng)從雙光纖反饋端所接受的光功率為0。
雙光纖結(jié)構(gòu)的激光多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)中,在保證激光多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)光路完整(無光纖折斷、端面污染、傳輸效率低等現(xiàn)象)的情況下,可以從實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中得出:(1)由表1可知,在激光多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)雙光纖雙波長工作模式的檢測中,當(dāng)雙光纖的輸出為76.45μW時(shí),多路檢測系統(tǒng)對(duì)1 310nm小功率檢測激光的最大接收率為0.005 6%,最小接收率為0.001 7%。所以,在一個(gè)確定的雙光纖結(jié)構(gòu)的激光多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)中,當(dāng)1 310nm檢測激光的功率小于激光起爆器最大不發(fā)火功率的1/100時(shí),如果多路檢測系統(tǒng)接收到檢測激光的效率在0.001 7%~0.005 6%范圍內(nèi),則可以確定激光多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)的光路完整;如果多路檢測系統(tǒng)接收到檢測激光的效率小于0.001 7%,則可以確定激光多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)的光路出現(xiàn)故障;(2)由表1可知,在一個(gè)確定的雙光纖結(jié)構(gòu)的激光多路多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)中,當(dāng)1 310nm小功率檢測激光的功率小于激光起爆器最大不發(fā)火功率的1/100時(shí),如果多路檢測系統(tǒng)對(duì)1 310nm檢測激光的接收率超過0.005 6%,則可以確定激光起爆器耦合窗口自聚焦透鏡出現(xiàn)損壞。因?yàn)橥哥R損壞會(huì)出現(xiàn)無規(guī)則的反射面,使反射到雙光纖中反射率增大,因此接收率提高;(3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(1)、(2)可知,在一個(gè)確定的雙光纖結(jié)構(gòu)的激光多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)中,如果多路檢測系統(tǒng)接收檢測激光的效率遠(yuǎn)小于光路完整時(shí)的接收效率,則說明激光多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)中某一光纜傳輸降低,可能出現(xiàn)了端面污染、光纜嚴(yán)重彎曲、光纜本身傳輸效率低,或者出現(xiàn)了光纜與連接器非正常耦合等問題;(4)根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(3)可知,如果多路檢測系統(tǒng)接收檢測激光的功率為0,則激光多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)中某一光纜出現(xiàn)折斷。
為提高激光多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)的可靠性,本文采用雙光纖雙波長工作模式實(shí)現(xiàn)了激光多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)的同步檢測。研究表明,若多路檢測系統(tǒng)接收到檢測激光的效率在0.001 7%~0.005 6%范圍內(nèi),則可以確定系統(tǒng)的光路完整;接收效率小于0.001 7%,則可以確定系統(tǒng)光路出現(xiàn)故障;接收率超過0.005 6%,則說明激光火工品耦合窗口自聚焦透鏡出現(xiàn)損壞。
[1]Jacobs,Richard.Laser initiated ordance system optical fiber continuity test:US,52 70537[P].1993-12-14.
[2]Wood,Lance A,Caldwell Paul J.Photoluminescence builtin-test for optically initiated systems:US,5572016[P].1996-11-5.
[3]Alexander Bell Drive,Reston.Criteria for explosive systems and devices used on launch and space vehicles [R].AIAA 2005-S-113,2005.
[4]Mark F Folsom,Jerry D Callaghan.Dual fiber laser initiator and optical telescope:US,5914458[P].1999-6-22.
[5]Wm David.Fahey,Joseph.E Carvalho.Optical Built-in-Test(BIT) for Laser (Diode) Initiation Systems[R].AIAA 2002-3797,2002.
[6]尹國福,魯建存,劉彥義,等.激光火工品系統(tǒng)自動(dòng)檢測技術(shù)研究[J].測試技術(shù)學(xué)報(bào),2010,24(4):344-350.
[7]尹國福,魯建存,劉彥義,等.激光起爆系統(tǒng)光路完整性檢測技術(shù)研究[J].激光技術(shù),2011,35(4):554-558.
[8]唐璜,馮陽,趙冬,等.激光點(diǎn)火檢測系統(tǒng)研究[J].激光雜志,2010,31(2):46-47.