微光机电引信安全系统激光能量传输特性

马红萍，田中旺，王 鑫

(1.机电动态控制重点实验室，陕西 西安 710065；2. 西安斯谱光电技术有限公司,陕西 西安 710065)

0 引言

微光机电系统(micro-optical-electromechanical systems,MOEMS)是指利用微加工技术实现的用于光学系统的MEMS器件[1]。微光机电引信安全系统采用光纤进行激光起爆能量的传输，通过微机电执行机构控制光路的通断，从而实现引信的安全与解除保险功能。受限于弹上空间，微光机电引信安全系统的输入能源为半导体激光器[2]，体积和功率较小，而含能材料对点火激光的功率需求较大[3-6]，因此激光能量在光路通断过程中的损耗控制就成了微光机电引信安全系统设计和研究的关键。

国内外关于微光机电引信安全系统的研究开展于二十世纪九十年代，美海军水面作战中心Indian Head分部在其鱼雷引信安全系统中部分采用了MOEMS技术[7-8]，用于激活点火电路。文献[9]提出了激光起爆引信安全系统，以火箭弹引信环境为基础完成了激光起爆引信安全系统的功能设计和整体结构设计。文献[10]提出了硅基微光机电保险机构，采用光纤作为过程能量传输的载体，通过静电驱动方式实现对光纤光路错位与对准的控制，达到引信安全与解除保险的目的。近年来，国内外对高能激光传输特性也进行了研究，提出了一些理论模型：文献[11—12]对高峰值功率激光的光纤注入、耦合与传输特性进行了研究，为系统优化提供了指导；文献[13]针对特定高能激光器应用系统而对传能光纤进行了仿真和应用研究。然而，这些关于微光机电引信安全系统和激光能量传输的研究是相互独立的，缺乏对常规功率激光在微光机电引信安全系统中传输能量特性的研究，且未对多因素偏移状态下激光能量传输损耗进行量化分析，无法指导微光机电引信安全系统的光路设计。本文通过理论分析和仿真计算研究微光机电引信安全系统激光能量的传递特性，揭示了直接对准耦合光纤轴向、径向、角度以及多因素偏移条件下激光能量的传输规律。

1 微光机电引信安全系统基本原理

微光机电引信安全系统主要由惯性保险机构、电保险机构、锁定机构、驱动器以及输入、输出光纤等组成，如图1所示。其中，驱动器、输入光纤和输出光纤构成了安全系统的光路模块，光纤之间的耦合模式为直接对准型，耦合光纤间距不大于100 μm，光纤类型为渐变折射率多模石英光纤[14]。

图1 微光机电引信安全系统组成框图Fig.1 Principle block diagram of micro-optical-electro-mechanical fuze safety and arming system

平时，输入和输出光纤处于“错开”状态，惯性保险机构和电保险机构将驱动器和输入光纤限制在保险位置，保证了勤务处理过程中安全系统的安全性。发射后，在发射过载(环境信息I)的作用下，惯性保险机构解除对驱动器的第一道保险；飞行过程中，当识别到设定的弹丸转速(环境信息II)时，电保险机构中的微执行器解除对驱动器的第二道保险；在炮口安全距离后，控制系统发出驱动信号，驱动器作用推动输入光纤和输出光纤对正，并锁定输入光纤，引信待发。攻击目标时，控制系统发出起爆信号，激光器发出激光，通过导通的光纤光路起爆激光火工品[15]。

驱动器推动输入光纤移动对正的整个作用过程处于弹丸发射或飞行动态环境中，很难保证微驱动器可以毫无误差地将输入光纤推动到全部对正位置，可能出现输入光纤与输出光纤产生径向偏移和角度偏离等情况。

2 激光能量传输特性分析

2.1 理论分析

激光在微光机电安全系统的传输过程中，进行能量损耗控制涉及以下几个方面：激光在光纤中的传输损耗控制，双光纤精确对正与锁定，光纤与激光源、火工品之间的高效耦合。其中，光纤与激光源和火工品之间耦合时，对传输效率造成影响的主要因素是介质之间的耦合模式，不在微光机电引信安全系统内部能量传输特性的研究范畴。

光在实际光纤中传输时，光功率将随传输距离的增加而以指数衰减，单位距离的衰减损耗α可表示为：

(1)

式(1)中，P0为入射光纤功率，PL为光纤传输距离L后的输出功率。多模石英光纤的最大衰减一般不超过4 dB/km，考虑到微光机电引信安全系统的体积有限，光纤长度不超过20 mm，光由于传输距离引起的衰减损耗可以忽略不计。

双光纤直接对准耦合时，轴向间隙、微驱动器驱动误差造成的径向偏移和角度偏离是影响双光纤耦合效率的主要因素。

1)轴向间隙

端面间隙为z的两光纤相互耦合时，其耦合损耗α1为：

(2)

式(2)中，N为匹配系数，N=n1/n0；n1为纤芯折射率，n0为光纤间空隙介质折射率；Δ为芯包折射率差。

2)径向偏移

径向偏移时，只有两纤芯重叠部分才有光通过，当光纤芯半径为a，两光纤轴偏离为x时，其耦合损耗α2为：

(3)

当径向偏移x/a<0.2时，耦合损耗小于1 dB。

3)角度偏离

光纤光轴角度偏离为θ，其耦合损耗α3为：

(4)

当角度偏移小于3°时，耦合损耗小于1 dB。

2.2 仿真计算

2.2.1参数设置

采用美国焦点公司的综合光学设计软件ZEMAX进行微光机电引信安全系统光路模块能量传输过程的仿真计算。光纤种类为渐变折射率多模石英光纤跳线，光纤规格尺寸为105/125/250 μm(纤芯直径/包层半径/涂覆层直径)，折射率为1.46，数值孔径为0.24，孔径角为14°。输入光源为红外半导体激光器，波长为980 nm，功率为1 W。在仿真过程中不考虑输入光源与输入光纤之间的耦合损耗，输入光纤直接产生1 W的激光功率射入输出光纤。

2.2.2光学仿真原理

从光纤和激光源的参数设置可以看出，光纤的纤芯直径远大于激光的工作波段，因此采用软件ZEMAX Optic Studio中的几何图像分析(geometric image analysis)进行多模光纤耦合效率的仿真计算。为了使纤芯支持尽量多的横模，使用几何光纤模拟多模光纤的耦合过程。光纤仿真原理见图2。几何图像分析结果表明，耦合有效性可达99.997%。

图2 光纤耦合光学仿真原理图Fig.2 Optical simulation schematic diagram of fiber coupling

2.2.3仿真结果及分析

通过调整输出光纤与输入光纤的位置关系，预设输出光纤处于不同轴向间隙、径向偏移和角度偏离等不同因素影响状态，仿真计算激光能量的传输效率。

1)单因素影响条件下能量传输特性

在只考虑轴向间隙、径向偏移和角度偏离等单一因素影响的条件下，分别通过32组偏移量的仿真计算，得出激光能量的传输效率随偏移量增大的变化曲线，如图3所示。其中，图3(a)中轴向间隙的偏移量范围为0～2 mm，不考虑径向、角度的影响；图3(b)中径向偏移的范围为0～120 μm，轴向间隙为0，不考虑角度影响；图3(c)中角度偏离的范围为0～13.5°，轴向间隙为0，不考虑径向影响。

图3 单一因素条件下激光能量的传输效率曲线Fig.3 Transmission efficiency curve of laser energy pointing to single factor

从仿真计算结果可知，直接对准型光纤耦合时，激光能量传输效率随轴向间隙、径向偏移或角度偏离等偏移量的增大而降低。当轴向间隙小于300 μm时传输效率大于80%，当间隙大于575 μm时效率小于50%；当径向偏移小于25 μm时传输效率大于80%，当偏移大于43 μm时效率小于50%；当角度偏离小于2.1°时传输效率大于80%，当偏离大于5.6°时效率小于50%。相对于轴向间隙，径向偏移和角度偏离对光纤耦合后激光能量传输效率的影响较大。

2)多因素影响条件下能量传输特性

从微光机电引信安全系统光路的设计指标可以看出，双光纤在理想对准情况下的间隙介于0～100 μm。在系统的实际工作过程中，光纤很难达到理想的对准状态，光纤之间必然存在轴向、径向以及角度等多个因素的对准误差。有必要在单因素能量传输效率的计算结果基础上，以特定耦合条件进行多因素影响条件下能量传输效率的仿真计算。

图4为轴向间隙变化的情况下，传输效率随径向偏移或角度偏离增大的变化曲线。当轴向间隙在0～100 μm范围内变化时，传输效率随径向偏移和角度偏离变化趋势接近，从图中观察，部分线段甚至出现了重叠。当轴向间隙为100 μm时，径向偏移小于23 μm时对应的传输效率大于80%，偏移大于43 μm时对应的传输效率小于50%；角度偏离小于1.9°时对应的传输效率与80%，偏离大于5.4°时对应的效率小于50%。对比初始状态(轴向间隙为0)计算结果可知，当轴向间隙不大于100 μm时，径向偏移和角度偏离不相互叠加状态下激光能量的传输特性基本保持不变。

图4 双重因素条件下激光能量的传输效率曲线Fig.4 Transmission efficiency curve of laser energy pointing to double factors

图5为预设径向偏移和角度偏离情况下，分别基于32组仿真计算结果形成的传输效率随轴向间隙增大的变化曲线。可以看出，横向偏移和角度偏离同时存在时，激光能量的传输效率会明显下降。当径向偏移达30 μm，角度偏离达1°时，能量传输效率低于70%；当径向偏移达40 μm，角度偏离达3°时，传输效率低于50%。

图5 多因素条件下激光能量的传输效率曲线Fig.5 Transmission efficiency curve of laser energy pointing to multiple factors

表1所示为光纤轴向端面间隙为0和100 μm时，不同预设条件下的激光能量经光纤耦合后的传输效率。可以看出，两种状态下绝对差值不大于2.33%，即当轴向间隙不大于100 μm时，径向偏移和角度偏离的叠加不会对激光能量的传输特性造成影响；同时，相同径向偏差条件叠加不同的角度偏差时，随着角度偏差的增大传输效率将显著下降，间接表明角度偏离对光纤耦合后激光能量传输效率的影响较大，光路对准时应尽量避免角度偏离不大于1°。

表1 不同预设条件激光能量传输效率Tab.1 Laser energy transmission efficiency under different preconditions

3 实验验证

3.1 实验方法

采用双光纤对准耦合激光能量传输损耗测试平台对微光机电引信安全系统光路传输进行模拟测试，测试平台主要由半导体激光器、输入光纤、输出光纤、四维移动平台以及数字光功率计等组成，见图6。

图6 激光能量传输损耗测试平台Fig.6 Experimental system of laser energy transmission losses

激光器为980 nm红外半导体激光器，型号为LR-ISP-980/1～1 000 mW，可输出恒定功率为1 W的激光能量；光纤为带FC接头的光纤跳线，光纤的其他参数同仿真计算中的参数相同。输入光纤固定于移动平台的固定端，输出光纤由四维移动平台调节移动，可模拟轴向、径向、角度以及多因素叠加等偏移状态，激光能量经输入光纤、输出光纤耦合后，由数字光功率计进行探测，计算得出耦合效率。

3.2 实验结果及分析

本文中能量损耗测试的目的是为了验证仿真计算的准确性，因此仅针对轴向移动和径向偏移两种常规偏差条件进行能量传输效率测试，分别对32组测试数据进行整理，得到的变化曲线见图7。

图7 激光能量传输效率测试曲线Fig.7 Transmission efficiency test curve

从图中可以看出，测试曲线和仿真曲线的变化趋势基本一致，但测试结果低于仿真结果。其中，图7(a)所示轴向移动条件下传输效率的仿真与测试曲线的平均差值为11.2%，图7(b)所示径向偏移条件下的平均差值为6.6%。FC光纤接头以及四维移动台移动精度导致的误差是造成测试结果偏差的主要原因，光纤接头与光纤连接时产生的连接损耗一般为不大于0.2 dB，换算得出的能量传输损耗百分比约为4.5%，因此考虑两处光纤接头对接带来的损耗情况下，测试结果与仿真结果基本一致，仿真结果基本可信。

4 结论

本文从微光机电引信安全系统工作原理出发，对激光在光纤中传输的基础理论进行了分析，建立了双光纤对准光纤仿真模型，对光纤轴向、径向、角度以及多因素等偏移条件下激光能量传输效率进行了仿真计算和试验验证。仿真和实验结果表明：在轴向、径向和角度偏离等多重因素的影响下，能量的传输效率会明显降低，其中角度偏离的影响最大。在微光机电引信安全系统光路的设计过程中，应重点保证角度的对准性，在叠加径向偏移的情况下角度偏离不大于1°。本文的研究成果可以为微光机电引信安全系统激光传输光路的设计和损耗控制提供指导和参考。