梁贺东,郑 松,2,贾 森,王先华,康兴国,2

(1.西安机电信息技术研究所,陕西 西安 710065;2.机电动态控制重点实验室,陕西 西安 710065;3.中国科学院西安光学精密机械研究所,陕西 西安 710119)

0 引言

激光起爆系统以其优异的抗干扰能力、较强的系统结构灵活性和通用性成为了引信起爆系统的发展趋势[1-2]。在激光起爆系统中为了判断激光器与光路能否正常工作必须设置光路完整性检测功能[3],以保证激光起爆系统的安全性并满足测试的覆盖性,而这一功能要靠激光点火头来实现。

激光点火头是在单光纤系统中应用的,参与了起爆系统光路完整性检测和引燃点火药剂作用。国内相关领域对激光能量的应用有了一定的基础,但在工程应用方面距离发达国家仍有差距。使用一根光纤实现起爆和检测的系统叫单光纤系统[4-5],由于单光纤系统检测激光和起爆激光采用两种不同波长,安全性更优,所以近年来成为研究热点。目前典型的单光纤双波长系统检测和点火激光的波长分别是1 310和980 nm[1],激光点火头的尾端不直接照射起爆药,在两者中间有一个光学窗,其表面镀有双色光学膜可以反射1 310 nm的检测激光(反射率约为99%),并对980 nm激光有增透作用(透射率约为99%)。被反射的检测激光利用光纤耦合器传输至光电传感器处,透射的点火激光作用于起爆药剂上[6-9],但这样的激光点火系统的光路结构中检测激光的耦合效率极低。激光点火头中的检测光经光学窗反射并最终耦合进入到传输光纤中的耦合效率在10-5数量级水平,相应的探测器接收到的检测激光信号的功率最大为几个纳瓦[10-11]。检测如此微弱的光信号易受到外界的干扰,使检测系统的信噪比降低、稳定性变差,进而使点火系统存在安全问题,并且尚未出现良好的解决策略。

针对这一问题,提出新的激光点火头结构,即在双波长单光纤系统中应用猫眼效应,设计了在两种波长的激光环境下的猫眼反射器。

1 研究基础

1.1 现有激光点火头的研究状况

在激光起爆系统中,光路完整性检测功能是不可或缺的一部分,其作用是为了在起爆之前确认点火光路的完整,无需拆解引信并可以在发射过程中进行,大大提高了起爆系统的可靠性。而为了实现这一功能,就需要激光点火头参与其中。

现有激光点火头的一种典型结构如图1所示。该结构采用在传输光纤与火工品之间加入平面全反射的光学窗来反射检测激光。这样的结构可靠性低,仅依靠光学窗或聚焦透镜上镀的双色膜来反射检测激光,激光从传输光纤中出射时会有一定的发散角度,当检测激光照射在双色膜表面时,被反射的光线无法全部按原路返回,导致一部分被反射的光线无法耦合进传输光纤造成能量损失。同时外界环境带来的振动和温度变化都会使激光束在反射镜上的反射角度发生偏摆和线位移,导致反射后重新耦合进传输光纤中的检测激光能量大幅减少,致使检测信号明显减弱甚至被背景噪声所淹没,进而导致光路检测的可靠性降低[12-14]。

图1 现有的激光点火头结构Fig.1 Existing laser ignition head structures

现有的激光点火头结构中,如果仅仅依靠缩短光纤和光学窗之间的间隙来保证检测激光的耦合效率是不可靠的,检测激光的耦合效率并不会有明显的提高,同时这种结构无法控制点火激光照射在药剂上的光斑大小。

1.2 猫眼效应与猫眼反射器

猫眼效应的含义如同这个名字所表现的一样,猫的眼睛之所以在光线比较暗的环境中依旧看起来明亮,原因就在于光线通过猫眼瞳孔的汇聚照射在眼底,被眼底凹面结构反射后使光线经过瞳孔后沿原路返回[15]。此逆向平行反射性已经广泛地应用在光学领域中。

猫眼反射器运用猫眼效应,通过凹面结构实现将光线沿入射方向原路反射回去。为了在双波长单光纤系统中保证激光点火功能不受影响的前提下,提高检测激光的耦合强度,设计了运用两种波长激光的猫眼反射器,不仅利用凸透镜的折射作用将光线恰好聚焦在凹面上,实现光线按原路返回,还可以实现点火功能。

2 激光点火头的组成

2.1 应用猫眼效应的光路系统

在激光起爆头中采用猫眼反射器结构,使检测激光的耦合效率大幅提高,从而使检测信号的强度显著增强;此外采用猫眼反射结构的另一个有利之处是使检测激光对起爆头光路中光学器件的角度失配不敏感,整个光路的装配和调节难度明显降低,固定后不易受外界震动、温度等环境影响,有助于大幅度提高整个系统检测信号的稳定性,符合整个系统的实用化要求。

本文设计的激光点火头采用双波长方式,检测激光和点火激光波长分别为633和980 nm,所选的传输光纤芯径为105 μm,数值孔径为0.22,点火头具体光路结构如图2所示。点火头的猫眼反射器由一个凸透镜和凹面镜组成,凸透镜的焦距、凹面镜的曲率半径以及凸透镜和凹面镜的间距三者相等。通过计算得出其各项参数如下:凸透镜和凹面镜的材料均为熔融石英,凹面镜厚度d=1.5 mm,f=r=l=19 mm。两镜片的边缘均有一定厚度是为了更好地保证两者装配时的同轴度。

平凹透镜的凹面镀有对633 nm高反射、对980 nm高透射的双色膜,平面镀有对980 nm激光的增透膜。由猫眼结构的原理可知,设计点火头使波长为633 nm的检测激光从光纤出射后刚好被凸透镜聚焦到平凹透镜的表面上,然后被双色膜所反射,并沿原路返回耦合进传输光纤中最终到达光电传感器处,实现光路完整性检测的功能。而980 nm点火激光由于焦距更长,因此将完全经过平凹透镜,最终会聚在起爆药剂上,实现起爆功能。

图2 采用猫眼反射器激光点火头光路示意图Fig.2 The use of cat’s eye reflector laser ignition head optical path schematic

猫眼反射器的“猫眼效应”使检测激光具有良好的逆向平行反射性,检测光线沿猫眼反射器光轴线正入射时会沿原路返回;当光束以一定角度发散地射到猫眼反射器时,如果入射光束的主光线经过凸透镜中心,反射光束仍会沿原路返回[16]。所以当平行光束分别以相同角度斜入射到猫眼反射器和平面全反射镜时,只有猫眼反射器可以使光线沿原路返回,保证了足够的激光能量耦合进传输光纤中。因此应用猫眼反射器的激光点火头光学系统不易受到震动、温度变化等环境因素的干扰。

为了尽可能减少检测激光在传输光纤中的损耗以及光纤内部散射造成的对检测光的背地噪声,在已有的研究中检测激光通常选用1 310 nm波长,由图3可知在光纤芯径为105 μm的光纤中传输的衰减大约为0.018 dB/km。所选择使用的633 nm波长激光在光纤芯径同样为105 μm的光纤中传输的衰减大约为0.050 dB/km。

图3 105 μm芯径的光纤中各波长的衰减Fig.3 Attenuation of each wavelength in the fiber of core diameter

激光点火头的机械结构如图4所示。光纤跳纤端面采用倾斜角4°,光纤芯与点火头机械插口内采用陶瓷插芯保护套,可以在一定程度上避免两种问题:1) 在温度应力的影响下光缆中的光纤芯、成缆包覆材料接头的收缩率会发生变化,使光纤芯微弯曲并导致光纤的端面之间发生间隙的变化,进而导致光纤的耦合效率下降;2) 在力学环境中,拔销自身的速度、纵向过载加速度、冲击加速度等因素同样会使光纤的端面连接出现间隙,导致光纤耦合效率变低。点火头的金属外壳内部固定了猫眼反射器的凸透镜和平凹透镜,凸透镜的焦距、凹面镜的曲率半径以及凸透镜和凹面镜的间距三者相等。在点火头的尾端安装了起爆药柱,药柱和平凹透镜之间没有缝隙。

图4 激光点火头的机械机构示意图Fig.4 Schematic diagram of the mechanical mechanism of the laser detonation head

2.2 起爆药剂的选择和分析

激光点火头透射的点火激光参数需要满足药剂所要求的阈值,980 nm的起爆激光照射在药剂上时,其光斑大小、脉冲宽度和脉冲频率都要符合药剂提供的限制,因此想要进一步确定参数就需要选择一种药剂。本文选择了在激光点火领域普遍使用的高氯酸·四氨·双(5-硝基四唑)合钴(III) (BNCP)激光敏感起爆药。BNCP是一种对激光敏感、各项性能优异的安全顿感型起爆药,在掺杂5%炭黑的激光作用时间较短,适合作为激光起爆药,具有很好的发展前景。表1列出了BNCP的各项性能参数[17]。

表1 BNCP的性能参数Tab.1 BNCP performance parameters

BNCP的激光感度随药剂的颗粒大小、掺杂种类的变化而无固定值,在此问题上不再详细研究各变化对药剂激光感度的影响,只考虑药剂颗粒在平均大小、掺杂物为5%炭黑时的激光感度。当药剂的激光感度确定后,就要考虑激光器和光学器件对点火激光输出的功率密度的影响。半导体激光器的种类较多,可以发出连续激光和脉冲激光,选择脉冲激光器,其中包含了三个影响功率密度的变量:光斑尺寸、激光脉冲宽度和激光脉冲重复频率。当激光照射药剂时,药剂吸收激光能量并到达起爆的能量阈值是一个累积的过程,想要将激光功率密度的大小控制在药剂的起爆阈值附近就要判断光斑尺寸、激光脉冲宽度和激光脉冲重复频率这三个变量和激光功率密度之间的关系。

光斑尺寸和功率密度之间的关系如式(1)所示,其中Pd为激光功率密度,光斑尺寸S=π(d/2)2,k1和k2的具体数值需要根据所选择的激光器芯片型号和传输光纤的型号来确定。将f和d代入式(1)中便可以得到激光脉冲宽度d、激光脉冲重复频率f和激光功率密度的关系如式(2)、式(3)所示。

根据文献[18—21]所提供的数据,可以将光斑尺寸、激光脉冲宽度和激光脉冲重复频率这三个变量与激光功率密度之间的关系绘制成图5所示的函数图像关系。从图5中可以比较直观地看出光斑尺寸、光脉冲宽度和激光脉冲重复频率分别与功率密度呈现的关系:激光功率密度随着光斑尺寸的减小而增加;随着激光脉冲宽度的增加或者激光重复频率的变大而变大。但为了安全因素的考虑,三个变量应设置成可使激光功率密度接近起爆阈值的大小,防止误点火或者时间延迟过大。

图5 功率密度与光斑尺寸、脉宽和重复频率的关系Fig.5 Power density versus spot size, pulse width and repetition frequency

3 仿真验证

为了验证以下两点功能:一是光路完整性检测功能中检测激光可以被凹面透镜的双色膜反射后再次耦合进传输光纤中;二是点火激光可以经凸透镜聚焦后透过凹面透镜照射到点火药剂上,因此就需要对激光点火头的功能进行仿真实验。所使用的参数如下:传输光纤芯径为105 μm,数值孔径为0.22,凸透镜和凹面镜的材料均为熔融石英,仿真结构使633 nm波段重新返回到光纤内,并使耦合能量最大,耦合效率不低于25%,980 nm波段透过平凹透镜,光斑大小最大为100 μm。同时尽量采用货架产品。

首先对检测激光进行仿真,其结果如图6所示。可见波长633 nm的检测激光可以被反射并且按原入射路径返回耦合进传输光纤中。光纤头位置的适配量是距离透镜0.6 mm处,如果装配不规范导致光纤头的位置有所偏差,允许的误差范围在0.1～0.5 mm,耦合的效率可以达到40%以上。

图6 波长633 nm检测激光仿真结果Fig.6 633 nm simulation results of detection laser

对点火激光进行仿真实验,所得到的结果如图7所示。可见波长980 nm的点火激光可以经由凸透镜折射然后透过凹面透镜聚焦在点火药剂上。

图7 波长980 nm点火激光仿真结果Fig.7 980 nm simulation results of ignition laser

影响系统耦合效率的主要因素有光学面的加工参数和装配参数,由于是购买的货架产品,光学元件的加工参数按照理想进行设定,主要考虑镜片的装调参数,主要的装调参数有镜片的倾斜参数以及偏心参数,下面将逐一分析。

3.1 镜片倾斜的影响

在所有镜片为理想的情况下,系统的耦合效率为0.46,以双凸透镜为基准,使反射镜倾斜,分别倾斜±0.02°、±0.05°、±0.1°、±0.15°后分析其耦合效率,仿真结果如图8所示。

3.2 镜片偏心的影响

在所有镜片为理想的情况下,系统的耦合效率为0.46,以双凸透镜为基准,使反射镜偏心,分别偏移±0.01、±0.02、±0.03、±0.04、±0.05 mm后分析其耦合效率,仿真结果如图9所示。

3.3 980 nm波段光斑大小

系统经过平凹透镜后在不同的距离处光斑大小不同,在距离平凹透镜平面分别为0、0.1、0.3、0.6 mm情况下的光斑大小,仿真结果如图10所示。

图8 镜片偏心距离和耦合效率关系Fig.8 Relationship between lens eccentricity distance and coupling efficiency

图9 镜片偏心距离和耦合效率的关系Fig.9 Relationship between lens eccentricity distance and coupling efficiency

图10 光纤端面与平凹面镜平面距离和光斑大小的关系Fig.10 The relationship between the distance between the optical fiber end face and the plane of the concave mirror and the spot size

仿真结果表明,相较于现有结构中耦合效率在10-5数量级的水平,应用改进的猫眼反射器的点火头即使在装配出现一定偏差的情况下,耦合效率也在30%～50%,很大程度地提高了检测激光的耦合效率,提高了系统的可靠性。

采用这种结构的优势在于:增加了被反射的检测激光耦合进传输光纤的强度;比现有点火头的光路具有更好的抗装配失调性,使光路完整性检测功能更具可靠性。该技术对激光起爆系统光路检测具有重要意义,有助于提高激光起爆的安全性和可靠性。

4 结论

在激光起爆系统中,保证激光点火头所参与的光路完整性检测功能的准确性有着重要意义,因此在双波长单光纤系统中,加入了运用猫眼效应设计的猫眼反射器结构。该方法通过计算得出了相关的设计参数,并确定了激光点火头机械结构。实验表明:该方法能显著提高检测激光的反射光与传输光纤间的耦合效率,增强检测信号的强度;可以使检测激光束对光路中光学器件的角度失配不敏感,显著降低光路的装配与调节难度。应用猫眼反射器结构提高了激光起爆系统的稳定性和可靠性,有助于推进激光起爆系统的实用化,在提高检测信号的信噪比的同时可以大幅度提高整个系统检测信号的稳定性,可以满足武器、航空、航天或其他领域的需要。