應(yīng)用貓眼效應(yīng)的雙波長激光點(diǎn)火頭

梁賀東,鄭 松,2,賈 森,王先華,康興國,2

(1.西安機(jī)電信息技術(shù)研究所,陜西 西安 710065;2.機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710065;3.中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所,陜西 西安 710119)

0 引言

激光起爆系統(tǒng)以其優(yōu)異的抗干擾能力、較強(qiáng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活性和通用性成為了引信起爆系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)[1-2]。在激光起爆系統(tǒng)中為了判斷激光器與光路能否正常工作必須設(shè)置光路完整性檢測(cè)功能[3],以保證激光起爆系統(tǒng)的安全性并滿足測(cè)試的覆蓋性,而這一功能要靠激光點(diǎn)火頭來實(shí)現(xiàn)。

激光點(diǎn)火頭是在單光纖系統(tǒng)中應(yīng)用的,參與了起爆系統(tǒng)光路完整性檢測(cè)和引燃點(diǎn)火藥劑作用。國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域?qū)す饽芰康膽?yīng)用有了一定的基礎(chǔ),但在工程應(yīng)用方面距離發(fā)達(dá)國家仍有差距。使用一根光纖實(shí)現(xiàn)起爆和檢測(cè)的系統(tǒng)叫單光纖系統(tǒng)[4-5],由于單光纖系統(tǒng)檢測(cè)激光和起爆激光采用兩種不同波長,安全性更優(yōu),所以近年來成為研究熱點(diǎn)。目前典型的單光纖雙波長系統(tǒng)檢測(cè)和點(diǎn)火激光的波長分別是1 310和980 nm[1],激光點(diǎn)火頭的尾端不直接照射起爆藥,在兩者中間有一個(gè)光學(xué)窗,其表面鍍有雙色光學(xué)膜可以反射1 310 nm的檢測(cè)激光(反射率約為99%),并對(duì)980 nm激光有增透作用(透射率約為99%)。被反射的檢測(cè)激光利用光纖耦合器傳輸至光電傳感器處,透射的點(diǎn)火激光作用于起爆藥劑上[6-9],但這樣的激光點(diǎn)火系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)中檢測(cè)激光的耦合效率極低。激光點(diǎn)火頭中的檢測(cè)光經(jīng)光學(xué)窗反射并最終耦合進(jìn)入到傳輸光纖中的耦合效率在10-5數(shù)量級(jí)水平,相應(yīng)的探測(cè)器接收到的檢測(cè)激光信號(hào)的功率最大為幾個(gè)納瓦[10-11]。檢測(cè)如此微弱的光信號(hào)易受到外界的干擾,使檢測(cè)系統(tǒng)的信噪比降低、穩(wěn)定性變差,進(jìn)而使點(diǎn)火系統(tǒng)存在安全問題,并且尚未出現(xiàn)良好的解決策略。

針對(duì)這一問題,提出新的激光點(diǎn)火頭結(jié)構(gòu),即在雙波長單光纖系統(tǒng)中應(yīng)用貓眼效應(yīng),設(shè)計(jì)了在兩種波長的激光環(huán)境下的貓眼反射器。

1 研究基礎(chǔ)

1.1 現(xiàn)有激光點(diǎn)火頭的研究狀況

在激光起爆系統(tǒng)中,光路完整性檢測(cè)功能是不可或缺的一部分,其作用是為了在起爆之前確認(rèn)點(diǎn)火光路的完整,無需拆解引信并可以在發(fā)射過程中進(jìn)行,大大提高了起爆系統(tǒng)的可靠性。而為了實(shí)現(xiàn)這一功能,就需要激光點(diǎn)火頭參與其中。

現(xiàn)有激光點(diǎn)火頭的一種典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)采用在傳輸光纖與火工品之間加入平面全反射的光學(xué)窗來反射檢測(cè)激光。這樣的結(jié)構(gòu)可靠性低,僅依靠光學(xué)窗或聚焦透鏡上鍍的雙色膜來反射檢測(cè)激光,激光從傳輸光纖中出射時(shí)會(huì)有一定的發(fā)散角度,當(dāng)檢測(cè)激光照射在雙色膜表面時(shí),被反射的光線無法全部按原路返回,導(dǎo)致一部分被反射的光線無法耦合進(jìn)傳輸光纖造成能量損失。同時(shí)外界環(huán)境帶來的振動(dòng)和溫度變化都會(huì)使激光束在反射鏡上的反射角度發(fā)生偏擺和線位移,導(dǎo)致反射后重新耦合進(jìn)傳輸光纖中的檢測(cè)激光能量大幅減少,致使檢測(cè)信號(hào)明顯減弱甚至被背景噪聲所淹沒,進(jìn)而導(dǎo)致光路檢測(cè)的可靠性降低[12-14]。

圖1 現(xiàn)有的激光點(diǎn)火頭結(jié)構(gòu)Fig.1 Existing laser ignition head structures

現(xiàn)有的激光點(diǎn)火頭結(jié)構(gòu)中,如果僅僅依靠縮短光纖和光學(xué)窗之間的間隙來保證檢測(cè)激光的耦合效率是不可靠的,檢測(cè)激光的耦合效率并不會(huì)有明顯的提高,同時(shí)這種結(jié)構(gòu)無法控制點(diǎn)火激光照射在藥劑上的光斑大小。

1.2 貓眼效應(yīng)與貓眼反射器

貓眼效應(yīng)的含義如同這個(gè)名字所表現(xiàn)的一樣,貓的眼睛之所以在光線比較暗的環(huán)境中依舊看起來明亮,原因就在于光線通過貓眼瞳孔的匯聚照射在眼底,被眼底凹面結(jié)構(gòu)反射后使光線經(jīng)過瞳孔后沿原路返回[15]。此逆向平行反射性已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在光學(xué)領(lǐng)域中。

貓眼反射器運(yùn)用貓眼效應(yīng),通過凹面結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)將光線沿入射方向原路反射回去。為了在雙波長單光纖系統(tǒng)中保證激光點(diǎn)火功能不受影響的前提下,提高檢測(cè)激光的耦合強(qiáng)度,設(shè)計(jì)了運(yùn)用兩種波長激光的貓眼反射器,不僅利用凸透鏡的折射作用將光線恰好聚焦在凹面上,實(shí)現(xiàn)光線按原路返回,還可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火功能。

2 激光點(diǎn)火頭的組成

2.1 應(yīng)用貓眼效應(yīng)的光路系統(tǒng)

在激光起爆頭中采用貓眼反射器結(jié)構(gòu),使檢測(cè)激光的耦合效率大幅提高,從而使檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度顯著增強(qiáng);此外采用貓眼反射結(jié)構(gòu)的另一個(gè)有利之處是使檢測(cè)激光對(duì)起爆頭光路中光學(xué)器件的角度失配不敏感,整個(gè)光路的裝配和調(diào)節(jié)難度明顯降低,固定后不易受外界震動(dòng)、溫度等環(huán)境影響,有助于大幅度提高整個(gè)系統(tǒng)檢測(cè)信號(hào)的穩(wěn)定性,符合整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)用化要求。

本文設(shè)計(jì)的激光點(diǎn)火頭采用雙波長方式,檢測(cè)激光和點(diǎn)火激光波長分別為633和980 nm,所選的傳輸光纖芯徑為105 μm,數(shù)值孔徑為0.22,點(diǎn)火頭具體光路結(jié)構(gòu)如圖2所示。點(diǎn)火頭的貓眼反射器由一個(gè)凸透鏡和凹面鏡組成,凸透鏡的焦距、凹面鏡的曲率半徑以及凸透鏡和凹面鏡的間距三者相等。通過計(jì)算得出其各項(xiàng)參數(shù)如下:凸透鏡和凹面鏡的材料均為熔融石英,凹面鏡厚度d=1.5 mm,f=r=l=19 mm。兩鏡片的邊緣均有一定厚度是為了更好地保證兩者裝配時(shí)的同軸度。

平凹透鏡的凹面鍍有對(duì)633 nm高反射、對(duì)980 nm高透射的雙色膜,平面鍍有對(duì)980 nm激光的增透膜。由貓眼結(jié)構(gòu)的原理可知,設(shè)計(jì)點(diǎn)火頭使波長為633 nm的檢測(cè)激光從光纖出射后剛好被凸透鏡聚焦到平凹透鏡的表面上,然后被雙色膜所反射,并沿原路返回耦合進(jìn)傳輸光纖中最終到達(dá)光電傳感器處,實(shí)現(xiàn)光路完整性檢測(cè)的功能。而980 nm點(diǎn)火激光由于焦距更長,因此將完全經(jīng)過平凹透鏡,最終會(huì)聚在起爆藥劑上,實(shí)現(xiàn)起爆功能。

圖2 采用貓眼反射器激光點(diǎn)火頭光路示意圖Fig.2 The use of cat’s eye reflector laser ignition head optical path schematic

貓眼反射器的“貓眼效應(yīng)”使檢測(cè)激光具有良好的逆向平行反射性,檢測(cè)光線沿貓眼反射器光軸線正入射時(shí)會(huì)沿原路返回;當(dāng)光束以一定角度發(fā)散地射到貓眼反射器時(shí),如果入射光束的主光線經(jīng)過凸透鏡中心,反射光束仍會(huì)沿原路返回[16]。所以當(dāng)平行光束分別以相同角度斜入射到貓眼反射器和平面全反射鏡時(shí),只有貓眼反射器可以使光線沿原路返回,保證了足夠的激光能量耦合進(jìn)傳輸光纖中。因此應(yīng)用貓眼反射器的激光點(diǎn)火頭光學(xué)系統(tǒng)不易受到震動(dòng)、溫度變化等環(huán)境因素的干擾。

為了盡可能減少檢測(cè)激光在傳輸光纖中的損耗以及光纖內(nèi)部散射造成的對(duì)檢測(cè)光的背地噪聲,在已有的研究中檢測(cè)激光通常選用1 310 nm波長,由圖3可知在光纖芯徑為105 μm的光纖中傳輸?shù)乃p大約為0.018 dB/km。所選擇使用的633 nm波長激光在光纖芯徑同樣為105 μm的光纖中傳輸?shù)乃p大約為0.050 dB/km。

圖3 105 μm芯徑的光纖中各波長的衰減Fig.3 Attenuation of each wavelength in the fiber of core diameter

激光點(diǎn)火頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖4所示。光纖跳纖端面采用傾斜角4°,光纖芯與點(diǎn)火頭機(jī)械插口內(nèi)采用陶瓷插芯保護(hù)套,可以在一定程度上避免兩種問題:1) 在溫度應(yīng)力的影響下光纜中的光纖芯、成纜包覆材料接頭的收縮率會(huì)發(fā)生變化,使光纖芯微彎曲并導(dǎo)致光纖的端面之間發(fā)生間隙的變化,進(jìn)而導(dǎo)致光纖的耦合效率下降;2) 在力學(xué)環(huán)境中,拔銷自身的速度、縱向過載加速度、沖擊加速度等因素同樣會(huì)使光纖的端面連接出現(xiàn)間隙,導(dǎo)致光纖耦合效率變低。點(diǎn)火頭的金屬外殼內(nèi)部固定了貓眼反射器的凸透鏡和平凹透鏡,凸透鏡的焦距、凹面鏡的曲率半徑以及凸透鏡和凹面鏡的間距三者相等。在點(diǎn)火頭的尾端安裝了起爆藥柱,藥柱和平凹透鏡之間沒有縫隙。

圖4 激光點(diǎn)火頭的機(jī)械機(jī)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the mechanical mechanism of the laser detonation head

2.2 起爆藥劑的選擇和分析

激光點(diǎn)火頭透射的點(diǎn)火激光參數(shù)需要滿足藥劑所要求的閾值,980 nm的起爆激光照射在藥劑上時(shí),其光斑大小、脈沖寬度和脈沖頻率都要符合藥劑提供的限制,因此想要進(jìn)一步確定參數(shù)就需要選擇一種藥劑。本文選擇了在激光點(diǎn)火領(lǐng)域普遍使用的高氯酸·四氨·雙(5-硝基四唑)合鈷(III) (BNCP)激光敏感起爆藥。BNCP是一種對(duì)激光敏感、各項(xiàng)性能優(yōu)異的安全頓感型起爆藥,在摻雜5%炭黑的激光作用時(shí)間較短,適合作為激光起爆藥,具有很好的發(fā)展前景。表1列出了BNCP的各項(xiàng)性能參數(shù)[17]。

表1 BNCP的性能參數(shù)Tab.1 BNCP performance parameters

BNCP的激光感度隨藥劑的顆粒大小、摻雜種類的變化而無固定值,在此問題上不再詳細(xì)研究各變化對(duì)藥劑激光感度的影響,只考慮藥劑顆粒在平均大小、摻雜物為5%炭黑時(shí)的激光感度。當(dāng)藥劑的激光感度確定后,就要考慮激光器和光學(xué)器件對(duì)點(diǎn)火激光輸出的功率密度的影響。半導(dǎo)體激光器的種類較多,可以發(fā)出連續(xù)激光和脈沖激光,選擇脈沖激光器,其中包含了三個(gè)影響功率密度的變量:光斑尺寸、激光脈沖寬度和激光脈沖重復(fù)頻率。當(dāng)激光照射藥劑時(shí),藥劑吸收激光能量并到達(dá)起爆的能量閾值是一個(gè)累積的過程,想要將激光功率密度的大小控制在藥劑的起爆閾值附近就要判斷光斑尺寸、激光脈沖寬度和激光脈沖重復(fù)頻率這三個(gè)變量和激光功率密度之間的關(guān)系。

光斑尺寸和功率密度之間的關(guān)系如式(1)所示,其中Pd為激光功率密度,光斑尺寸S=π(d/2)2,k1和k2的具體數(shù)值需要根據(jù)所選擇的激光器芯片型號(hào)和傳輸光纖的型號(hào)來確定。將f和d代入式(1)中便可以得到激光脈沖寬度d、激光脈沖重復(fù)頻率f和激光功率密度的關(guān)系如式(2)、式(3)所示。

根據(jù)文獻(xiàn)[18—21]所提供的數(shù)據(jù),可以將光斑尺寸、激光脈沖寬度和激光脈沖重復(fù)頻率這三個(gè)變量與激光功率密度之間的關(guān)系繪制成圖5所示的函數(shù)圖像關(guān)系。從圖5中可以比較直觀地看出光斑尺寸、光脈沖寬度和激光脈沖重復(fù)頻率分別與功率密度呈現(xiàn)的關(guān)系:激光功率密度隨著光斑尺寸的減小而增加;隨著激光脈沖寬度的增加或者激光重復(fù)頻率的變大而變大。但為了安全因素的考慮,三個(gè)變量應(yīng)設(shè)置成可使激光功率密度接近起爆閾值的大小,防止誤點(diǎn)火或者時(shí)間延遲過大。

圖5 功率密度與光斑尺寸、脈寬和重復(fù)頻率的關(guān)系Fig.5 Power density versus spot size, pulse width and repetition frequency

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證以下兩點(diǎn)功能:一是光路完整性檢測(cè)功能中檢測(cè)激光可以被凹面透鏡的雙色膜反射后再次耦合進(jìn)傳輸光纖中;二是點(diǎn)火激光可以經(jīng)凸透鏡聚焦后透過凹面透鏡照射到點(diǎn)火藥劑上,因此就需要對(duì)激光點(diǎn)火頭的功能進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。所使用的參數(shù)如下:傳輸光纖芯徑為105 μm,數(shù)值孔徑為0.22,凸透鏡和凹面鏡的材料均為熔融石英,仿真結(jié)構(gòu)使633 nm波段重新返回到光纖內(nèi),并使耦合能量最大,耦合效率不低于25%,980 nm波段透過平凹透鏡,光斑大小最大為100 μm。同時(shí)盡量采用貨架產(chǎn)品。

首先對(duì)檢測(cè)激光進(jìn)行仿真,其結(jié)果如圖6所示?？梢姴ㄩL633 nm的檢測(cè)激光可以被反射并且按原入射路徑返回耦合進(jìn)傳輸光纖中。光纖頭位置的適配量是距離透鏡0.6 mm處,如果裝配不規(guī)范導(dǎo)致光纖頭的位置有所偏差,允許的誤差范圍在0.1～0.5 mm,耦合的效率可以達(dá)到40%以上。

圖6 波長633 nm檢測(cè)激光仿真結(jié)果Fig.6 633 nm simulation results of detection laser

對(duì)點(diǎn)火激光進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),所得到的結(jié)果如圖7所示?？梢姴ㄩL980 nm的點(diǎn)火激光可以經(jīng)由凸透鏡折射然后透過凹面透鏡聚焦在點(diǎn)火藥劑上。

圖7 波長980 nm點(diǎn)火激光仿真結(jié)果Fig.7 980 nm simulation results of ignition laser

影響系統(tǒng)耦合效率的主要因素有光學(xué)面的加工參數(shù)和裝配參數(shù),由于是購買的貨架產(chǎn)品,光學(xué)元件的加工參數(shù)按照理想進(jìn)行設(shè)定,主要考慮鏡片的裝調(diào)參數(shù),主要的裝調(diào)參數(shù)有鏡片的傾斜參數(shù)以及偏心參數(shù),下面將逐一分析。

3.1 鏡片傾斜的影響

在所有鏡片為理想的情況下,系統(tǒng)的耦合效率為0.46,以雙凸透鏡為基準(zhǔn),使反射鏡傾斜,分別傾斜±0.02°、±0.05°、±0.1°、±0.15°后分析其耦合效率,仿真結(jié)果如圖8所示。

3.2 鏡片偏心的影響

在所有鏡片為理想的情況下,系統(tǒng)的耦合效率為0.46,以雙凸透鏡為基準(zhǔn),使反射鏡偏心,分別偏移±0.01、±0.02、±0.03、±0.04、±0.05 mm后分析其耦合效率,仿真結(jié)果如圖9所示。

3.3 980 nm波段光斑大小

系統(tǒng)經(jīng)過平凹透鏡后在不同的距離處光斑大小不同,在距離平凹透鏡平面分別為0、0.1、0.3、0.6 mm情況下的光斑大小,仿真結(jié)果如圖10所示。

圖8 鏡片偏心距離和耦合效率關(guān)系Fig.8 Relationship between lens eccentricity distance and coupling efficiency

圖9 鏡片偏心距離和耦合效率的關(guān)系Fig.9 Relationship between lens eccentricity distance and coupling efficiency

圖10 光纖端面與平凹面鏡平面距離和光斑大小的關(guān)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

仿真結(jié)果表明,相較于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中耦合效率在10-5數(shù)量級(jí)的水平,應(yīng)用改進(jìn)的貓眼反射器的點(diǎn)火頭即使在裝配出現(xiàn)一定偏差的情況下,耦合效率也在30%～50%,很大程度地提高了檢測(cè)激光的耦合效率,提高了系統(tǒng)的可靠性。

采用這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于:增加了被反射的檢測(cè)激光耦合進(jìn)傳輸光纖的強(qiáng)度;比現(xiàn)有點(diǎn)火頭的光路具有更好的抗裝配失調(diào)性,使光路完整性檢測(cè)功能更具可靠性。該技術(shù)對(duì)激光起爆系統(tǒng)光路檢測(cè)具有重要意義,有助于提高激光起爆的安全性和可靠性。

4 結(jié)論

在激光起爆系統(tǒng)中,保證激光點(diǎn)火頭所參與的光路完整性檢測(cè)功能的準(zhǔn)確性有著重要意義,因此在雙波長單光纖系統(tǒng)中,加入了運(yùn)用貓眼效應(yīng)設(shè)計(jì)的貓眼反射器結(jié)構(gòu)。該方法通過計(jì)算得出了相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù),并確定了激光點(diǎn)火頭機(jī)械結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)表明:該方法能顯著提高檢測(cè)激光的反射光與傳輸光纖間的耦合效率,增強(qiáng)檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度;可以使檢測(cè)激光束對(duì)光路中光學(xué)器件的角度失配不敏感,顯著降低光路的裝配與調(diào)節(jié)難度。應(yīng)用貓眼反射器結(jié)構(gòu)提高了激光起爆系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,有助于推進(jìn)激光起爆系統(tǒng)的實(shí)用化,在提高檢測(cè)信號(hào)的信噪比的同時(shí)可以大幅度提高整個(gè)系統(tǒng)檢測(cè)信號(hào)的穩(wěn)定性,可以滿足武器、航空、航天或其他領(lǐng)域的需要。