弹射救生用快速激光起爆器光路设计

白 茹，曹椿强，贺爱锋，井 波，王浩宇，马 玥

弹射救生用快速激光起爆器光路设计

白 茹1，曹椿强2，贺爱锋2，井 波2，王浩宇2，马 玥2

（1.航空工业第一飞机设计研究院，陕西 阎良，710089；2.陕西应用物理化学研究所 应用物理化学国家级重点实验室，陕西 西安，710061）

针对弹射救生用激光起爆器快速起爆的需求，以激光点火机理为基础，通过对激光起爆器光学窗口结构的分析，优选自聚焦透镜(GRIN)作为激光起爆器的耦合窗口。同时结合自聚焦透镜光线传输理论分析，提出了通过缩小照射到含能材料表面的光斑尺寸、增大功率密度的方式，以有效缩短激光起爆器的作用时间。利用ZEMAX软件对激光耦合窗口进行仿真，得出采用φ1.8mm1/4和φ1.0mm 1/4自聚焦透镜组，其输出光斑缩小倍数为0.5左右。验证试验表明，该光路设计方法能够有效降低激光起爆器作用时间，并且可以在较低的功率下达到激光起爆器的极限作用时间。

激光起爆器；光路；作用时间；激光功率密度

弹射救生技术是为了在飞机无可挽救的情况下，用于保障飞行员安全的一种技术。弹射救生系统一般由3部分组成：弹射通道清理系统、弹射救生控制系统和座椅弹射系统。其中弹射通道清理系统主要是舱盖切割与抛放，由切割索和抛放火箭等组成。切割索通常采用起爆器来引爆，其作用时间越短越好。目前国内外的飞行器弹射救生用火工装置大多以电能或机械能作为始发能源，然而采用电能的火工装置抗电磁干扰能力差；采用机械能的火工装置以燃气管路传输能量，其能量损耗大、故障率高；采用导爆索不仅延时精度不高，其体积重量也不适应现代飞行器的需求。

激光火工品技术采用光纤传输激光能量，从根本上解决了火工品的电磁兼容安全问题[1]。早期的激光起爆技术大都采用大功率的固体或气体激光器完成对含能材料的点火，由于这种类型的激光器能量较高(可到达MW级别)，能够获得极短的作用时间[2]，但由于体积重量的限制，这种激光器很难在一些小型武器系统中应用。采用激光二极管(LD)的半导体激光器由于体积小、重量轻、抗冲击振动能力强，且易于与主控单元集成等特点，在武器系统中应用较多，但由于半导体激光器的输出功率较低，造成了半导体激光起爆系统的作用时间相对较长（0.1～1.0ms左右[3]）。因此，研制一种小功率LD激光快速起爆系统成为急需解决的问题。本文对激光起爆系统传输光路进行仿真设计，并通过试验进行验证，从光学角度找出解决小功率LD快速起爆的途径，完成快速激光起爆器设计。

1 理论分析

根据文献[4]可知，激光点火含能材料表面上升温度如式（1）所示：

式（1）中：(0,)为含能材料激光点火温度函数；0为初始温度；a为含能材料吸收比，α=1-，为含能材料的反射率；为光热转换效率；为激光功率；为材料密度；为材料热导率；为材料热容；为作用时间；w为照射到含能材料表面的光斑尺寸；()是Heaviside函数，即：

假设含能材料的点火时间t=1+2，其中1为惰性加热阶段时间，2为反应加速阶段时间。若1>>2，则点火时间可用1(由式（1）得出)近似，( 0,1) 表示含能材料的临界点火温度，通过求解，可以得到含能材料的点火时间为：

由式（3）可以得出激光点火含能材料的作用时间与光斑尺寸的四次方成正比，与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对激光点火作用时间影响最大。通过对激光起爆器耦合光路进行设计，缩小照射到含能材料表面的光斑尺寸、增大功率密度，能够有效地缩短激光起爆器的作用时间。

2 激光起爆器耦合光路设计

2.1 窗口结构优选

常用的激光起爆器窗口主要包括3种：玻璃/蓝宝石窗口、光纤窗口及透镜/透镜组窗口，分别如图1所示。由于激光起爆器采用光纤进行能量传输，而光纤输出的光束具有一定的发散角，因此采用玻璃/蓝宝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时间；采用光纤窗口直接耦合到含能材料表面的方法虽然保持了光斑的尺寸，但是也不能实现光斑缩小；采用透镜组的方式虽然可以通过光学方式实现缩小光斑，但是传统透镜受制于曲面特征，其在激光起爆器的安置及密封较为复杂，不利于量产。自聚焦透镜由于自聚焦端面聚焦特性，便于集成在激光起爆器中[5]，因此本文选择了自聚焦透镜(GRIN)作为激光起爆器的耦合窗口进行设计。

图1 激光火工品典型耦合窗口结构示意图

在忽略高阶小量的条件下，自聚焦透镜的折射率为平方律分布[6]：

自聚焦透镜的光线坐标图如图2所示。根据图2，当入射光线在自聚焦透镜端面（=0）处，以斜率0′入射在=0点，则自聚焦透镜的近轴光线传输矩阵为：

对于1/4的自聚焦透镜，由式（5）可得：

当一束发散光在透镜端面中心处入射时，即0=0，代入式（6）得′=0，即出射光线斜率为0，是平行光，即表征1/4自聚焦透镜的准直作用；当一束平行光入射到透镜时，即0′=0，代入式（6）得=0，光束汇聚于透镜的出射面，即表征1/4自聚焦透镜的聚焦作用。因此2个1/4透镜可以先将发散光线准直然后再聚焦，当其作为激光起爆器耦合元件时，可实现将光纤输出的发射光线聚焦到药剂表面。

由于双透镜的放大倍数为：

对于自聚焦透镜来说其焦距的表达式为：

2.2 起爆器激光耦合光路ZEMAX仿真设计

2.2.1 起爆器激光耦合光路建模

依据上述理论分析，确定了LD激光快速起爆器的耦合窗口选择2个半径不同的自聚焦透镜，光路仿真设计中选择φ1.8mm 1/4和φ1.0mm 1/4自聚焦透镜组成一个实现光斑缩小的光学系统，并与1个φ1.8mm1/2自聚焦透镜耦合窗口进行对比，在ZEMAX软件中进行建模。光纤选择芯径φ100/140 μm的渐变光纤进行建模，得到了LD激光快速起爆系统光线轨迹模拟，如图3所示，激光输出功率为1W，显示100条光线，用于计算分析的光线是100 000条。

图3 激光起爆器耦合光路仿真模型

2.2.2 仿真结果分析

通过仿真得到的光纤出射光斑与1/2自聚焦透镜出射光斑、双透镜组的出射光斑情况，如图4所示。

图4 输出光斑仿真图

仿真结果显示，光纤输出的功率为0.963 19W，峰值功率密度为2.497 1×105W/cm2，光斑半径约0.03mm左右，小于光纤半径0.05mm，这主要是由于渐变光纤自身折射率分布造成其在光纤内部传输过程中呈抛物线状，因此其在某些部分的光斑尺寸会小于光纤直径；而在激光通过1/2自聚焦透镜时，输出功率为0.962 15W，峰值功率密度为2.256 7×105W/cm2，光斑半径约0.03mm左右，基本与光纤输出的光斑情况一致，这主要是由于1/2自聚焦透镜对光斑的放大倍数为1，因此其能够维持光纤输出光斑的尺寸；最后通过透镜组的输出端光斑功率也为0.962 15W，峰值功率密度为6.703 6×105W/cm2，功率密度主要集中在半径约0.015mm的区域内，光斑的峰值功率密度增大了2倍，光斑尺寸缩小了0.5倍。

仿真结果说明采用φ1.8mm1/4和φ1.0mm 1/4自聚焦透镜组，其缩小倍数为=0.5左右。并且从光斑的颜色可以看出激光能量变得更加集中，有利于降低起爆器作用时间。

3 验证试验

根据以上的光路仿真结果，设计了一种新型的激光起爆器，采用BNCP作为主装药，其结构如图5所示。

图5 新型激光起爆器结构

图6 激光起爆器发火功率——作用时间曲线

对新型激光起爆器的作用时间进行了测试，并与单1/2自聚焦透镜激光起爆的作用时间数据进行对比，如图6所示。由图6可以得出在激光功率≤1W时，同等能量下新型的快速激光起爆器的作用时间明显低于单自聚焦透镜激光起爆器，并且在1W的功率下，其作用时间降低到12.18μs，说明了通过光路优化设计的方法能够有效降低作用时间；当激光功率＞1W时，两种起爆器的作用时间逐渐接近，在激光功率为2W后，已经基本交汇成一条曲线，并且快速激光起爆器的作用时间缩短较小，在激光功率3.5W时，作用时间为10.78μs；单透镜激光起爆器在2W后作用时间的变化开始减小，激光功率从2W增加到3W，作用时间仅从12.10μs降低到11.40μs，说明新型快速激光起爆器可以在较低的光功率下达到激光起爆器的极限作用时间。

4 结论

（1）通过理论分析确定了影响作用时间的主要因素是激光的光斑尺寸，通过缩小光斑的方法能够降低激光起爆的作用时间。（2）通过对激光耦合窗口的选择及ZEMAX仿真结果，确定了采用φ1.8mm 1/4和φ1.0mm1/4自聚焦透镜组，其输出缩小倍数为=0.5左右；（3）通过光路优化设计的方法能够有效降低激光起爆器作用时间，并且可以在较低的光功率下达到激光起爆器的极限作用时间。

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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，硕士研究生，主要从事机载电子设备液体冷却系统研究。