白 茹，曹椿強(qiáng)，賀愛(ài)鋒，井 波，王浩宇，馬 玥

彈射救生用快速激光起爆器光路設(shè)計(jì)

白 茹1，曹椿強(qiáng)2，賀愛(ài)鋒2，井 波2，王浩宇2，馬 玥2

（1.航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，陜西 閻良，710089；2.陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安，710061）

針對(duì)彈射救生用激光起爆器快速起爆的需求，以激光點(diǎn)火機(jī)理為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)激光起爆器光學(xué)窗口結(jié)構(gòu)的分析，優(yōu)選自聚焦透鏡(GRIN)作為激光起爆器的耦合窗口。同時(shí)結(jié)合自聚焦透鏡光線(xiàn)傳輸理論分析，提出了通過(guò)縮小照射到含能材料表面的光斑尺寸、增大功率密度的方式，以有效縮短激光起爆器的作用時(shí)間。利用ZEMAX軟件對(duì)激光耦合窗口進(jìn)行仿真，得出采用φ1.8mm1/4和φ1.0mm 1/4自聚焦透鏡組，其輸出光斑縮小倍數(shù)為0.5左右。驗(yàn)證試驗(yàn)表明，該光路設(shè)計(jì)方法能夠有效降低激光起爆器作用時(shí)間，并且可以在較低的功率下達(dá)到激光起爆器的極限作用時(shí)間。

激光起爆器；光路；作用時(shí)間；激光功率密度

彈射救生技術(shù)是為了在飛機(jī)無(wú)可挽救的情況下，用于保障飛行員安全的一種技術(shù)。彈射救生系統(tǒng)一般由3部分組成：彈射通道清理系統(tǒng)、彈射救生控制系統(tǒng)和座椅彈射系統(tǒng)。其中彈射通道清理系統(tǒng)主要是艙蓋切割與拋放，由切割索和拋放火箭等組成。切割索通常采用起爆器來(lái)引爆，其作用時(shí)間越短越好。目前國(guó)內(nèi)外的飛行器彈射救生用火工裝置大多以電能或機(jī)械能作為始發(fā)能源，然而采用電能的火工裝置抗電磁干擾能力差；采用機(jī)械能的火工裝置以燃?xì)夤苈穫鬏斈芰?，其能量損耗大、故障率高；采用導(dǎo)爆索不僅延時(shí)精度不高，其體積重量也不適應(yīng)現(xiàn)代飛行器的需求。

激光火工品技術(shù)采用光纖傳輸激光能量，從根本上解決了火工品的電磁兼容安全問(wèn)題[1]。早期的激光起爆技術(shù)大都采用大功率的固體或氣體激光器完成對(duì)含能材料的點(diǎn)火，由于這種類(lèi)型的激光器能量較高(可到達(dá)MW級(jí)別)，能夠獲得極短的作用時(shí)間[2]，但由于體積重量的限制，這種激光器很難在一些小型武器系統(tǒng)中應(yīng)用。采用激光二極管(LD)的半導(dǎo)體激光器由于體積小、重量輕、抗沖擊振動(dòng)能力強(qiáng)，且易于與主控單元集成等特點(diǎn)，在武器系統(tǒng)中應(yīng)用較多，但由于半導(dǎo)體激光器的輸出功率較低，造成了半導(dǎo)體激光起爆系統(tǒng)的作用時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)（0.1～1.0ms左右[3]）。因此，研制一種小功率LD激光快速起爆系統(tǒng)成為急需解決的問(wèn)題。本文對(duì)激光起爆系統(tǒng)傳輸光路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，從光學(xué)角度找出解決小功率LD快速起爆的途徑，完成快速激光起爆器設(shè)計(jì)。

1 理論分析

根據(jù)文獻(xiàn)[4]可知，激光點(diǎn)火含能材料表面上升溫度如式（1）所示：

式（1）中：(0,)為含能材料激光點(diǎn)火溫度函數(shù)；0為初始溫度；a為含能材料吸收比，α=1-，為含能材料的反射率；為光熱轉(zhuǎn)換效率；為激光功率；為材料密度；為材料熱導(dǎo)率；為材料熱容；為作用時(shí)間；w為照射到含能材料表面的光斑尺寸；()是Heaviside函數(shù)，即：

假設(shè)含能材料的點(diǎn)火時(shí)間t=1+2，其中1為惰性加熱階段時(shí)間，2為反應(yīng)加速階段時(shí)間。若1>>2，則點(diǎn)火時(shí)間可用1(由式（1）得出)近似，( 0,1) 表示含能材料的臨界點(diǎn)火溫度，通過(guò)求解，可以得到含能材料的點(diǎn)火時(shí)間為：

由式（3）可以得出激光點(diǎn)火含能材料的作用時(shí)間與光斑尺寸的四次方成正比，與激光功率的平方成反比。所以，光斑尺寸及功率既光斑的功率密度對(duì)激光點(diǎn)火作用時(shí)間影響最大。通過(guò)對(duì)激光起爆器耦合光路進(jìn)行設(shè)計(jì)，縮小照射到含能材料表面的光斑尺寸、增大功率密度，能夠有效地縮短激光起爆器的作用時(shí)間。

2 激光起爆器耦合光路設(shè)計(jì)

2.1 窗口結(jié)構(gòu)優(yōu)選

常用的激光起爆器窗口主要包括3種：玻璃/藍(lán)寶石窗口、光纖窗口及透鏡/透鏡組窗口，分別如圖1所示。由于激光起爆器采用光纖進(jìn)行能量傳輸，而光纖輸出的光束具有一定的發(fā)散角，因此采用玻璃/藍(lán)寶石窗口完成激光能量耦合，光斑必然增大，不利于降低起爆器的作用時(shí)間；采用光纖窗口直接耦合到含能材料表面的方法雖然保持了光斑的尺寸，但是也不能實(shí)現(xiàn)光斑縮??；采用透鏡組的方式雖然可以通過(guò)光學(xué)方式實(shí)現(xiàn)縮小光斑，但是傳統(tǒng)透鏡受制于曲面特征，其在激光起爆器的安置及密封較為復(fù)雜，不利于量產(chǎn)。自聚焦透鏡由于自聚焦端面聚焦特性，便于集成在激光起爆器中[5]，因此本文選擇了自聚焦透鏡(GRIN)作為激光起爆器的耦合窗口進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖1 激光火工品典型耦合窗口結(jié)構(gòu)示意圖

在忽略高階小量的條件下，自聚焦透鏡的折射率為平方律分布[6]：

自聚焦透鏡的光線(xiàn)坐標(biāo)圖如圖2所示。根據(jù)圖2，當(dāng)入射光線(xiàn)在自聚焦透鏡端面（=0）處，以斜率0′入射在=0點(diǎn)，則自聚焦透鏡的近軸光線(xiàn)傳輸矩陣為：

對(duì)于1/4的自聚焦透鏡，由式（5）可得：

當(dāng)一束發(fā)散光在透鏡端面中心處入射時(shí)，即0=0，代入式（6）得′=0，即出射光線(xiàn)斜率為0，是平行光，即表征1/4自聚焦透鏡的準(zhǔn)直作用；當(dāng)一束平行光入射到透鏡時(shí)，即0′=0，代入式（6）得=0，光束匯聚于透鏡的出射面，即表征1/4自聚焦透鏡的聚焦作用。因此2個(gè)1/4透鏡可以先將發(fā)散光線(xiàn)準(zhǔn)直然后再聚焦，當(dāng)其作為激光起爆器耦合元件時(shí)，可實(shí)現(xiàn)將光纖輸出的發(fā)射光線(xiàn)聚焦到藥劑表面。

由于雙透鏡的放大倍數(shù)為：

對(duì)于自聚焦透鏡來(lái)說(shuō)其焦距的表達(dá)式為：

2.2 起爆器激光耦合光路ZEMAX仿真設(shè)計(jì)

2.2.1 起爆器激光耦合光路建模

依據(jù)上述理論分析，確定了LD激光快速起爆器的耦合窗口選擇2個(gè)半徑不同的自聚焦透鏡，光路仿真設(shè)計(jì)中選擇φ1.8mm 1/4和φ1.0mm 1/4自聚焦透鏡組成一個(gè)實(shí)現(xiàn)光斑縮小的光學(xué)系統(tǒng)，并與1個(gè)φ1.8mm1/2自聚焦透鏡耦合窗口進(jìn)行對(duì)比，在ZEMAX軟件中進(jìn)行建模。光纖選擇芯徑φ100/140 μm的漸變光纖進(jìn)行建模，得到了LD激光快速起爆系統(tǒng)光線(xiàn)軌跡模擬，如圖3所示，激光輸出功率為1W，顯示100條光線(xiàn)，用于計(jì)算分析的光線(xiàn)是100 000條。

圖3 激光起爆器耦合光路仿真模型

2.2.2 仿真結(jié)果分析

通過(guò)仿真得到的光纖出射光斑與1/2自聚焦透鏡出射光斑、雙透鏡組的出射光斑情況，如圖4所示。

圖4 輸出光斑仿真圖

仿真結(jié)果顯示，光纖輸出的功率為0.963 19W，峰值功率密度為2.497 1×105W/cm2，光斑半徑約0.03mm左右，小于光纖半徑0.05mm，這主要是由于漸變光纖自身折射率分布造成其在光纖內(nèi)部傳輸過(guò)程中呈拋物線(xiàn)狀，因此其在某些部分的光斑尺寸會(huì)小于光纖直徑；而在激光通過(guò)1/2自聚焦透鏡時(shí)，輸出功率為0.962 15W，峰值功率密度為2.256 7×105W/cm2，光斑半徑約0.03mm左右，基本與光纖輸出的光斑情況一致，這主要是由于1/2自聚焦透鏡對(duì)光斑的放大倍數(shù)為1，因此其能夠維持光纖輸出光斑的尺寸；最后通過(guò)透鏡組的輸出端光斑功率也為0.962 15W，峰值功率密度為6.703 6×105W/cm2，功率密度主要集中在半徑約0.015mm的區(qū)域內(nèi)，光斑的峰值功率密度增大了2倍，光斑尺寸縮小了0.5倍。

仿真結(jié)果說(shuō)明采用φ1.8mm1/4和φ1.0mm 1/4自聚焦透鏡組，其縮小倍數(shù)為=0.5左右。并且從光斑的顏色可以看出激光能量變得更加集中，有利于降低起爆器作用時(shí)間。

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)以上的光路仿真結(jié)果，設(shè)計(jì)了一種新型的激光起爆器，采用BNCP作為主裝藥，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 新型激光起爆器結(jié)構(gòu)

圖6 激光起爆器發(fā)火功率——作用時(shí)間曲線(xiàn)

對(duì)新型激光起爆器的作用時(shí)間進(jìn)行了測(cè)試，并與單1/2自聚焦透鏡激光起爆的作用時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。由圖6可以得出在激光功率≤1W時(shí)，同等能量下新型的快速激光起爆器的作用時(shí)間明顯低于單自聚焦透鏡激光起爆器，并且在1W的功率下，其作用時(shí)間降低到12.18μs，說(shuō)明了通過(guò)光路優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法能夠有效降低作用時(shí)間；當(dāng)激光功率＞1W時(shí)，兩種起爆器的作用時(shí)間逐漸接近，在激光功率為2W后，已經(jīng)基本交匯成一條曲線(xiàn)，并且快速激光起爆器的作用時(shí)間縮短較小，在激光功率3.5W時(shí)，作用時(shí)間為10.78μs；單透鏡激光起爆器在2W后作用時(shí)間的變化開(kāi)始減小，激光功率從2W增加到3W，作用時(shí)間僅從12.10μs降低到11.40μs，說(shuō)明新型快速激光起爆器可以在較低的光功率下達(dá)到激光起爆器的極限作用時(shí)間。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)理論分析確定了影響作用時(shí)間的主要因素是激光的光斑尺寸，通過(guò)縮小光斑的方法能夠降低激光起爆的作用時(shí)間。（2）通過(guò)對(duì)激光耦合窗口的選擇及ZEMAX仿真結(jié)果，確定了采用φ1.8mm 1/4和φ1.0mm1/4自聚焦透鏡組，其輸出縮小倍數(shù)為=0.5左右；（3）通過(guò)光路優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法能夠有效降低激光起爆器作用時(shí)間，并且可以在較低的光功率下達(dá)到激光起爆器的極限作用時(shí)間。

[1] 彭吉虎,吳伯瑜,光纖技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1995.

[2] 劉德明,向清,黃德修.光纖光學(xué)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1995.

[3] 廖先炳.光纖接頭及其測(cè)量方法[J].光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù),1997(1):48-50.

[4] 廖延彪.光纖光學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2000.

[5] 崔衛(wèi)東,朱升成,等.光纖對(duì)激光起爆系統(tǒng)的影響[J].火工品, 2000(3): 34-37.

[6] 馬天,黃勇,楊金龍.光纖連接器[J].光學(xué)技術(shù),2002(2): 160-162.

[7] 曹祥杰,鄒快盛,趙衛(wèi),等.光纖激光器反饋耦合損耗分析[J].光子學(xué)報(bào),2008, 37(7): 1 309-1 313.

[8] Lu Jiancun, Liu Jupeng, He Aifeng, etc. Measurement of laser energy coupling and transmitting efficiency of the three- way splitter[C]//ISTM/2005 6th International Symposium on Test and Measurement, 2005.

[9] 蘇建剛,黃艷俊,劉上乾,等.激光制導(dǎo)武器能量特性半實(shí)物仿真技術(shù)研究[J].光子學(xué)報(bào),2007,36(9):1 722-1 725.

[10] 李?lèi)?ài)云,王曉穎.光纖耦合LD輸出光場(chǎng)特性研究[J].光子學(xué)報(bào),2007, 36(9): 1 664-1 667.

Optical Path Design of Fast Laser Detonator for Ejection Lifesaving

BAI Ru1，CAO Chun-qiang2，HE Ai-feng2，JING Bo2，WANG Hao-yu2，MA Yue2

(1. The First Aircraft Institute of AVIC，Yanliang, 710089；2. National Laboratory of Applied Physics and Chemistry, Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi’an, 710061)

Aiming at the requirement of the rapid initiation of laser detonator for ejection lifesaving, based on the laser ignition mechanism and the optical window structure of the laser detonator, the GRIN lens is selected as the coupling window of the laser detonator. Combined with the theoretical analysis of light transmission through GRIN lens, it is concluded that by reducing the size of spot on the surface of the energetic material and increasing the power density, the working time of the laser detonator can be effectively improved and shortened. Through the simulation of laser coupling window with software, it can be known that the output spot reduction factor is about 0.5 with GRIN lens group. Experiments also verified that the optical path design method can effectively reduce the action time of the laser detonator, and reach the limit action time of the laser detonator at low power.

Laser initiator；Optical path；Function time；Laser power density

1003-1480（2019）01-0009-04

TJ450.2

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.01.003

2018-12-23

白茹（1992 -），女，碩士研究生，主要從事機(jī)載電子設(shè)備液體冷卻系統(tǒng)研究。