基于激光火工系統(tǒng)的煙火泵浦激光技術(shù)

井 波，張 蕊，賀愛鋒，徐奉一，王浩宇，馬 玥

(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)

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基于激光火工系統(tǒng)的煙火泵浦激光技術(shù)

井 波，張 蕊，賀愛鋒，徐奉一，王浩宇，馬 玥

(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)

為研究煙火泵浦激光輸出性能，對煙火泵浦激光器中泵浦源與激光晶體棒進行匹配實驗研究和煙火泵浦激光器出光實驗研究，以及煙火泵浦激光器光纖耦合輸出實驗研究。實驗結(jié)果表明：煙火泵浦激光器選用鋯氧閃光燈作為泵浦源，與工作物質(zhì)為Nd∶YAG激光工作物質(zhì)是相匹配的，煙火泵浦激光器輸出能量≥4.82 J，滿足煙火泵浦激光火工系統(tǒng)的能量輸出需要；煙火泵浦激光器光纖耦合輸出能量≥2.87 J，光纖耦合裝置耦合效率達到50%以上，為煙火泵浦激光器用于戰(zhàn)斗機艙蓋拋放、飛行員座椅彈射逃生等火工系統(tǒng)研究提供了重要的技術(shù)支持。

煙火;激光;Nd∶YAG晶體;閃光燈;光纖耦合

引言

煙火泵浦激光器是利用化學反應發(fā)光進行泵浦的一類固體激光器，由于其能質(zhì)大、體積小、質(zhì)量輕、非電擊發(fā)等特點，具有較好的應用前景[1-3]。激光泵浦原理為激光工作物質(zhì)吸收特定波長的光波，引起工作物質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，受激輻射放大而泵浦激光。目前傳統(tǒng)的光泵浦系統(tǒng)為惰性氣體放電燈，都需用高壓電使惰性氣體電離而發(fā)光，從而泵浦出激光，而煙火泵浦激光器采用煙火藥的燃燒通過工作介質(zhì)來泵浦產(chǎn)生激光，利用煙火藥燃燒能夠發(fā)出各種不同的光譜，選擇合適的煙火藥配方能夠調(diào)整輻射出燃燒光譜[4-7]。近年來，煙火泵浦激光器作為火工煙火技術(shù)領(lǐng)域的最新應用技術(shù)之一，已廣泛受到科研人員的重視[8-9]，煙火泵浦激光器在煙火泵浦激光火工系統(tǒng)中為火工品提供作用能源，是煙火泵浦激光火工系統(tǒng)中核心的組成器件，煙火泵浦激光火工系統(tǒng)主要用于戰(zhàn)斗機艙蓋拋放和飛行員座椅彈射逃生等火工系統(tǒng)研究中[10-12]，煙火泵浦激光器的作用與否決定了煙火泵浦激光火工系統(tǒng)的成敗，更決定了整個彈射逃生的成敗。

1 煙火泵浦激光器輸出性能實驗

1.1 煙火泵浦激光器工作原理

煙火泵浦激光器作為固體激光器的一類，主要由手動擊發(fā)機構(gòu)、鋯氧閃光燈、鍍有反射膜的摻釹釔鋁石榴石(簡寫為Nd∶YAG)等組成，如圖1所示。 其作用原理是：拉動手動擊發(fā)機構(gòu)，使其產(chǎn)生高電壓，高電壓點燃鋯氧閃光燈使其發(fā)光，通過鍍有反射膜的Nd∶YAG晶體泵浦，產(chǎn)生激光振蕩輸出。在煙火泵浦激光器組成中激勵源為鋯氧閃光燈，激光工作物質(zhì)為Nd∶YAG晶體，為了節(jié)省激光器系統(tǒng)體積及提高激光器的可靠性，煙火泵浦激光器的光學諧振腔設(shè)計為在Nd∶YAG晶體兩端鍍膜的P-P諧振腔，前端鍍制全反膜，后端鍍制10%～30%的半反膜作為激光輸出端。

圖1 煙火泵浦激光器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of pyrotechnic-pumped laser

1.2 煙火泵浦源與工作物質(zhì)匹配實驗研究

煙火泵浦激光器中泵浦源選取鋯氧閃光燈，鋯氧閃光燈采取高壓放電擊發(fā)火花藥頭的發(fā)火方式，其發(fā)光機理和常規(guī)的金屬燃燒發(fā)光機理一樣。根據(jù)金屬鋯與氧氣的化學反應方程式Zr+O2→ZrO2，金屬鋯與氧氣在鋯氧閃光燈的反應比例為1∶1，因此在設(shè)計鋯氧閃光燈時需充入一定量的氧氣，以滿足金屬鋯燃燒所需的氧氣量。本文中金屬鋯為鋯絲，鋯絲直徑在0.035 mm～0.045 mm之間，鋯氧閃光燈燈管中氧氣量的壓強在14 atm～15 atm之間。采用海洋光學HR4000型光譜儀對鋯氧閃光燈進行了光譜輸出性能試驗，測出鋯氧閃光燈的發(fā)光光譜如圖2所示。

圖2 鋯氧閃光燈的發(fā)光光譜Fig.2 Luminescence spectra of ZrO2 flash lamp

為提高煙火泵浦激光器的泵浦效率，需要使泵浦光光譜與工作物質(zhì)吸收光光譜相匹配。煙火泵浦激光器的工作物質(zhì)Nd∶YAG基質(zhì)很硬、光學質(zhì)量好、熱導率高，其立方結(jié)構(gòu)也有利于窄的熒光譜線，從而產(chǎn)生高增益、低閾值的激光作用。從Nd∶YAG的吸收光譜[13](300 K)可看出，Nd∶YAG對激光有貢獻的主要吸收帶有5條，中心波長為0.53 μm、0.58 μm、0.75 μm、0.81 μm、0.87 μm，其中0.58 μm吸收帶的吸收最強。從圖2可看出，鋯氧閃光燈在波長分別500 nm～700 nm處有較強的光譜輸出，這與Nd∶YAG晶體在0.58 μm這個最強吸收帶相吻合，因此將鋯氧閃光燈作為煙火泵浦激光器的泵浦源是合適的，可作為煙火泵浦激光器的泵浦源。

1.3 煙火泵浦激光器出光實驗

煙火泵浦激光器出光實驗裝置如圖3所示, 利用圖3所示實驗裝置進行了多次激光輸出試驗。激光輸出能量采用LPE-1B型能量/功率計測量，為避免雜散光的影響，在能量計探頭前方加入了中心波長為1 064 nm透過率為85%的濾光片，保證了測量的準確性。煙火泵浦激光器輸出實驗結(jié)果如表1所示，激光輸出波形采用Agilent DSO5012A型示波器進行測試，表1中3#煙火泵浦激光器輸出實驗測試的輸出波形如圖4所示，所得的實驗結(jié)果較理想。由于Nd∶YAG晶體棒反復利用，使得Nd∶YAG晶體棒有一定的損傷，導致輸出能量隨著使用次數(shù)的增加有一定的減少，但影響不大，輸出能量能夠滿足煙火泵浦激光火工系統(tǒng)的需要。實驗結(jié)果表明，煙火泵浦激光器每次的輸出能量與激光脈沖寬度都不同，煙火泵浦激光器的脈寬和輸出能量主要由鋯氧閃光燈的長度及內(nèi)部填裝鋯絲質(zhì)量來決定，在鋯氧閃光燈的長度一定的情況下，鋯氧閃光燈自身的燃燒過程也不完全可控，另外，鋯氧閃光燈內(nèi)部鋯絲裝填形狀的一致性也決定鋯氧閃光燈中鋯絲的燃燒時間，從而導致了每次實驗的輸出能量與激光脈沖寬度的不同，但煙火泵浦激光器的脈寬在可控范圍之內(nèi)，輸出能量也能滿足實際使用要求。

圖3 煙火泵浦激光器出光實驗裝置Fig.3 Experimental setup of output of pyrotechnic-pumped laser

Table 1 Experimental results of output of pyrotechnic-pumped laser

激光器編號輸出激光能量/J激光脈沖寬度/ms備注1#5．5729．8/2#5．2530．1晶體棒重復利用3#4．8226．1晶體棒重復利用

圖4 煙火泵浦激光器輸出波形Fig.4 Waveform of output of pyrotechnic-pumped laser

2 煙火泵浦激光器光纖耦合輸出實驗

2.1 煙火泵浦激光器光纖耦合方式

煙火泵浦激光器輸出能量達到焦耳量級，脈寬在10 ns量級，對于煙火泵浦激光器光纖耦合方式來說，可用的耦合方式主要有[14]：用透鏡耦合激光束進入光纖;用透鏡加光纖輸入端燒成球面作為兩級耦合進入光纖;用自聚焦透鏡耦合激光束進入光纖。比較分析以上幾種耦合方式，透鏡耦合激光束進入光纖的方式簡單易于設(shè)計，且能夠進行大功率激光的耦合輸出。煙火泵浦激光器光纖耦合所用的光纖是傳能用大芯徑多模光纖，光纖端面處激光光斑直徑不大于光纖纖芯直徑2/3是較為合適的。本文選取雙膠合透鏡耦合激光束進入光纖的方式，并通過ZEMAX光學系統(tǒng)設(shè)計軟件進行物理光學的光纖耦合設(shè)計，采用折射率大的光學玻璃ZF6作為透鏡材料，以達到縮短焦距的目的，光纖耦合示意圖如圖5所示。

圖5 光纖耦合示意圖Fig.5 Schematic diagram of fiber coupling

2.2 煙火泵浦激光器光纖耦合輸出實驗結(jié)果

由于煙火泵浦激光器的單次輸出特點，決定了煙火泵浦激光器光纖耦合輸出調(diào)試方式采用氙燈泵浦激光模擬煙火泵浦激光器進行光纖耦合裝置耦合調(diào)試，設(shè)計裝置如圖6所示。在光纖耦合裝置調(diào)試完成后，通過3次煙火泵浦激光器光纖耦合輸出實驗，結(jié)果如表2所示。實驗結(jié)果表明：煙火泵浦激光器光纖耦合能量≥2.87 J，和表1煙火泵浦激光器出光實驗結(jié)果對比可知，光纖耦合裝置耦合效率達到50%以上，滿足實際使用要求。

圖6 光纖耦合調(diào)試裝置圖Fig.6 Debugging graph of fiber coupling device

Table 2 Experimental results of fiber coupling output of pyrotechnic-pumped laser

激光器編號耦合光纖直徑/μm輸出端激光能量/J激光脈沖寬度/ms4#2003．0826．95#2002．8728．56#2002．9627．1

3 結(jié)束語

煙火泵浦激光器利用泵浦源鋯氧閃光燈在波長500 nm～700 nm處有較強的光譜輸出，這和Nd∶YAG晶體在0.58 μm處最強吸收帶相吻合，說明煙火泵浦激光器選用鋯氧閃光燈作為泵浦源，與工作物質(zhì)為Nd∶YAG激光工作物質(zhì)是相匹配的，鋯氧閃光燈可作為煙火泵浦激光器的泵浦源。煙火泵浦激光器輸出實驗研究表明，煙火泵浦激光器輸出能量≥4.82 J，滿足煙火泵浦激光火工系統(tǒng)的能量輸出需要，為進一步開展工程應用，進行了煙火泵浦激光器光纖耦合輸出實驗研究，得到了耦合效率較為理想的光纖耦合器件，為煙火泵浦激光器用于戰(zhàn)斗機艙蓋拋放、飛行員座椅彈射逃生等火工系統(tǒng)研究提供了重要的技術(shù)支持。

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Technology of pyrotechnic-pumped laser based on laser ignition system

Jing Bo，Zhang Rui，He Aifeng，Xu Fengyi， Wang Haoyu，Ma Yue

(National Key Laboratory of Applied Physics and Chemistry, Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi’an 710061, China)

In order to study the output performance of pyrotechnic-pumped laser, the fireworks pump source and laser crystal rod matching experiments were researched in the pyrotechnic-pumped laser, and the fiber coupling output experiment of pyrotechnic-pumped laser was completed. The experimental results show that the output of pyrotechnic-pumped laser reaches more than 4.82 J,which satisfies the need for energy output of pyrotechnic-pumped laser initiation system;the fiber coupling output of pyrotechnic-pumped laser reaches more than 2.87J,and the efficiency of fiber coupling device reaches more than 50%, it can provide important technical support for the initiation systems used for the ejection of fighter hatch and pilot seat.

pyrotechnics; laser; crystal of Nd∶YAG; flashlamp;fiber coupling

1002-2082(2015)06-0955-04

2015-04-28；

2015-09-15

總裝“十二五”預研項目(51305090103);總裝重點實驗室基金項目(9140C370110140C3701)

井波(1981-)，男，江蘇連云港人，工程師，主要從事激光火工品技術(shù)研究。E-mail：37057150@qq.com

TN248

A

10.5768/JAO201536.0605001