彈射救生用快速激光起爆器光路設計

白 茹，曹椿強，賀愛鋒，井 波，王浩宇，馬 玥

彈射救生用快速激光起爆器光路設計

白 茹1，曹椿強2，賀愛鋒2，井 波2，王浩宇2，馬 玥2

（1.航空工業第一飛機設計研究院，陜西 閻良，710089；2.陜西應用物理化學研究所 應用物理化學國家級重點實驗室，陜西 西安，710061）

針對彈射救生用激光起爆器快速起爆的需求，以激光點火機理為基礎，通過對激光起爆器光學窗口結構的分析，優選自聚焦透鏡(GRIN)作為激光起爆器的耦合窗口。同時結合自聚焦透鏡光線傳輸理論分析，提出了通過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間。利用ZEMAX軟件對激光耦合窗口進行仿真，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為0.5左右。驗證試驗表明，該光路設計方法能夠有效降低激光起爆器作用時間，并且可以在較低的功率下達到激光起爆器的極限作用時間。

激光起爆器；光路；作用時間；激光功率密度

彈射救生技術是為了在飛機無可挽救的情況下，用于保障飛行員安全的一種技術。彈射救生系統一般由3部分組成：彈射通道清理系統、彈射救生控制系統和座椅彈射系統。其中彈射通道清理系統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引爆，其作用時間越短越好。目前國內外的飛行器彈射救生用火工裝置大多以電能或機械能作為始發能源，然而采用電能的火工裝置抗電磁干擾能力差；采用機械能的火工裝置以燃氣管路傳輸能量，其能量損耗大、故障率高；采用導爆索不僅延時精度不高，其體積重量也不適應現代飛行器的需求。

激光火工品技術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題[1]。早期的激光起爆技術大都采用大功率的固體或氣體激光器完成對含能材料的點火，由于這種類型的激光器能量較高(可到達MW級別)，能夠獲得極短的作用時間[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中應用。采用激光二極管(LD)的半導體激光器由于體積小、重量輕、抗沖擊振動能力強，且易于與主控單元集成等特點，在武器系統中應用較多，但由于半導體激光器的輸出功率較低，造成了半導體激光起爆系統的作用時間相對較長（0.1～1.0ms左右[3]）。因此，研制一種小功率LD激光快速起爆系統成為急需解決的問題。本文對激光起爆系統傳輸光路進行仿真設計，并通過試驗進行驗證，從光學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計。

1 理論分析

根據文獻[4]可知，激光點火含能材料表面上升溫度如式（1）所示：

式（1）中：(0,)為含能材料激光點火溫度函數；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；為光熱轉換效率；為激光功率；為材料密度；為材料熱導率；為材料熱容；為作用時間；w為照射到含能材料表面的光斑尺寸；()是Heaviside函數，即：

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

由式（3）可以得出激光點火含能材料的作用時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激光點火作用時間影響最大。通過對激光起爆器耦合光路進行設計，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間。

2 激光起爆器耦合光路設計

2.1 窗口結構優選

常用的激光起爆器窗口主要包括3種：玻璃/藍寶石窗口、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行能量傳輸，而光纖輸出的光束具有一定的發散角，因此采用玻璃/藍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，但是也不能實現光斑縮小；采用透鏡組的方式雖然可以通過光學方式實現縮小光斑，但是傳統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雜，不利于量產。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行設計。

圖1 激光火工品典型耦合窗口結構示意圖

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]：

自聚焦透鏡的光線坐標圖如圖2所示。根據圖2，當入射光線在自聚焦透鏡端面（=0）處，以斜率0′入射在=0點，則自聚焦透鏡的近軸光線傳輸矩陣為：

對于1/4的自聚焦透鏡，由式（5）可得：

當一束發散光在透鏡端面中心處入射時，即0=0，代入式（6）得′=0，即出射光線斜率為0，是平行光，即表征1/4自聚焦透鏡的準直作用；當一束平行光入射到透鏡時，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1/4透鏡可以先將發散光線準直然后再聚焦，當其作為激光起爆器耦合元件時，可實現將光纖輸出的發射光線聚焦到藥劑表面。

由于雙透鏡的放大倍數為：

對于自聚焦透鏡來說其焦距的表達式為：

2.2 起爆器激光耦合光路ZEMAX仿真設計

2.2.1 起爆器激光耦合光路建模

依據上述理論分析，確定了LD激光快速起爆器的耦合窗口選擇2個半徑不同的自聚焦透鏡，光路仿真設計中選擇φ1.8mm 1/4和φ1.0mm 1/4自聚焦透鏡組成一個實現光斑縮小的光學系統，并與1個φ1.8mm1/2自聚焦透鏡耦合窗口進行對比，在ZEMAX軟件中進行建模。光纖選擇芯徑φ100/140 μm的漸變光纖進行建模，得到了LD激光快速起爆系統光線軌跡模擬，如圖3所示，激光輸出功率為1W，顯示100條光線，用于計算分析的光線是100 000條。

圖3 激光起爆器耦合光路仿真模型

2.2.2 仿真結果分析

通過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部傳輸過程中呈拋物線狀，因此其在某些部分的光斑尺寸會小于光纖直徑；而在激光通過1/2自聚焦透鏡時，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自聚焦透鏡對光斑的放大倍數為1，因此其能夠維持光纖輸出光斑的尺寸；最后通過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的區域內，光斑的峰值功率密度增大了2倍，光斑尺寸縮小了0.5倍。

仿真結果說明采用φ1.8mm1/4和φ1.0mm 1/4自聚焦透鏡組，其縮小倍數為=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間。

3 驗證試驗

根據以上的光路仿真結果，設計了一種新型的激光起爆器，采用BNCP作為主裝藥，其結構如圖5所示。

圖5 新型激光起爆器結構

圖6 激光起爆器發火功率——作用時間曲線

對新型激光起爆器的作用時間進行了測試，并與單1/2自聚焦透鏡激光起爆的作用時間數據進行對比，如圖6所示。由圖6可以得出在激光功率≤1W時，同等能量下新型的快速激光起爆器的作用時間明顯低于單自聚焦透鏡激光起爆器，并且在1W的功率下，其作用時間降低到12.18μs，說明了通過光路優化設計的方法能夠有效降低作用時間；當激光功率＞1W時，兩種起爆器的作用時間逐漸接近，在激光功率為2W后，已經基本交匯成一條曲線，并且快速激光起爆器的作用時間縮短較小，在激光功率3.5W時，作用時間為10.78μs；單透鏡激光起爆器在2W后作用時間的變化開始減小，激光功率從2W增加到3W，作用時間僅從12.10μs降低到11.40μs，說明新型快速激光起爆器可以在較低的光功率下達到激光起爆器的極限作用時間。

4 結論

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

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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，主要從事機載電子設備液體冷卻系統研究。