激光点火起爆技术文档格式.docx

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一个完整的激光点火系统主要由激光保险与解除保险装置、激光器、激光器输出耦合光缆（重复使用）、光纤接头、带输入光纤的引爆装置（一次使用）等部分组成。

参见图2.1。

传感器

电源发火信号光光藕合器光输

图2.1激光点火系统概况

由于激光器（二极管）用低压电源启动，所以其本身则存在一个固有的安全性问题。

为确保激光器不发生意外启动，需要一单独的电子控制与安全系统，它适应于多点控制和顺序选择，具有小型化、抗严酷环境等特点，该保险系统的保险解除需由两个独立的安全性参数进行控制。

以数值口径接收的输出光能藕合光缆、引爆装置输入光纤及接头都要具有低损耗和抗严酷环境的特点，引爆装置中所装填的药剂必须是钝感的烟火剂或炸药。

第三节激光点火起爆系统的性能要求

在各种应用中，对系统及各元件的性能要求不同。

表2.1列举了先进空空导弹、小型洲际导弹和能源部、国防部对激光点火系统的性能要求。

表2.1对系统和元件的性能要求

性能

系统

光纤

接头

引爆装置

振动

g

冲击

温度

°

F

峰值

功率

GW/cm2

寿命

年

抗拉强度

PSI

损耗

dB/

km

界面

密封度

cc/s

可靠度

国防部

10.0

225

1ms

0.4

7-10

6

1

小于

1×

10-6

使用的可靠性大于0.93，测试的可靠性要大于0.94。

能源部

27.0

3000

0.1-10

30

750.000

先进空空导弹

19.0

42

-65～160

小型洲际导弹

18.7

15

45～110

第四节激光点火（起爆）系统的优点

1、与常规热桥丝点火起爆系统相比，用光纤取代了桥丝和导线，因此受强射频（RF）、电磁脉冲（EMP）、高功率微波（HPM）和静电作用而发生意外点火（起爆）的危险性大大降低了。

2、消除了因桥丝和点火药剂存在而伴随发生的锈蚀、点火后电阻（RAF）的变化及绝缘电阻等问题。

3、避免了机械冲击的敏感问题。

4、光纤的强度和柔性较好，使系统安装的柔性和负载容易处理。

5、由于密封包覆，寿命超过20年。

6、大大简化了生产工艺和质量检验，如射频、静电感度试验，不发火试验、绝缘电阻和桥线可靠性检验等。

7、不必再考虑1A/1W不发火的钝感安全性要求了。

8、光束可聚焦成一个很小的点，从而可产生很高的功率密度。

9、利用光学滤光技术可以对激光传输系统进行有效的试验，而不会影响爆炸装置的安全性和性能。

10、利用分光技术和光束的分支机构，可以实现多点起爆技术，同时起爆几个爆炸装置。

11、利用S/A机构可容易截断激光通道。

第五节激光器和控制装置

一、小型钕玻璃脉冲激光器

美国喷气推进试验室（JPL）已在七十年代中期研制成功。

外形尺寸：

51×

7.6×

12.7cm3

重量：

0.7kg

输出能量：

1ms脉冲能量输出为2.8J

能量/重量系数：

3.3J/kg

能量/体积系数：

0.005J/cm3

二、小型Q开关钕玻璃激光器

9.5×

15.8×

33cm3

6.2kg

20ms脉冲的最大输出能量为60J

三、小型自持OEM激光器（八十年代）

8.9×

6.1×

2.8cm3

0.34kg

输出脉冲功率100W

已经采用的激光器及特性见表2.2，这些激光都能产生较高功率或能量密度的激光脉冲，能以较大的能量同时起爆几个分系统。

其缺点是：

（1）激光效率不高（＜10%），大约只有1～3%的输入电能转换成有效的输出光能；

（2）尺寸和重量较大（相对于战术武器）；

（3）成本还较高。

表2.2美国空军和能源部激光军械点火系统使用的激光器及特性

类型

波长λ

（nm）

发射脉冲

激光棒

激光

泵浦

谐振腔

形式

能量

（mJ）

宽度

掺杂物

工作物质

美国空军

小型洲际弹道导弹

（ICBM）

钕

钆-钪-钕

石榴石

（GSGG）

闪光灯

CC-PL

（2）

1060

300

0.12mS

F16A战斗机

玻璃

PZP

（1）

PL-PL（3）

1053

6000

10mS

新型空-空导弹

（AAAM）

PZP

PL-PL

4000

先进的发射系统

（ALS）

钇铝石榴石

（YAN）

100

连续波

美国能源部

圣地亚国立试验室/

光起爆装置

（SNL/DOI）1#

25nS

（SNL/DOI）2#

铬：

GSGG

PR-PR（4）

1061

250

16nS

圣地亚国立试验室/激光二极管起爆装置

（SNL/DOI）

铝

镓铝砷：

（GaAlAs）

—

820

注：

（1）PZP：

高温锆泵浦。

（2）CC-PL：

角隅棱镜一平面镜谐振腔。

（3）PL-PL：

平面镜一平面镜谐振腔。

（4）PR-PR：

波罗棱镜一波罗棱镜谐振腔。

激光点火系统的最新发展是激光二极管点火系统。

激光二极管又称半导体激光器或二极管激光器，其特点是：

小巧灵活、使用方便，结构均匀性好，能适应各种温度、冲击和震动的环境，能量转换率高（理论效率达30～40%），只需要低电压启动，可输出连续波1W以上的功率。

第一代激光二极管是P-N结砷化镓二极管，厚度约1mm；

第二代激光二极管是双（多）异质结二极管，它大大降低了产生激光的阈值电流，增大了输出功率。

进一步发展的产品是列阵式激光二极管，增加了输出功率。

第六节光导纤维及联接方式

光导纤维的作用是传输激光。

其衰减率（每千米几分贝）不能太大，否则输出能量太小，难以起爆药剂。

而高功率或高能量密度的激光器又很难将激光脉冲耦合进光纤中，也很难在光纤中传播，这是由于在高功率和高能量密度时，较高阶次的吸收过程变得突出了。

因此要求：

1、改进炸药成分，增加对光的吸收，降低阈值能量；

2、改进激光器，提高输出能量；

3、改进光纤，增加高能量脉冲的传输性能，降低传输衰减损耗；

4、改进联接方式及器件，使耦合衰减降低到最低程度。

在激光点火系统中经常使用的光纤维有两种：

分级指数（gradedindes）纤维（梯度折射率纤维）和步长指数（Stepinder）纤维（同步折射率纤维）。

在激光二极管点火系统中通常使用具有梯度折射率的细芯光导纤维。

其芯径为100μm，包层直径为140μm，纤维的数值口径（NA）是0.29，与过去使用的具有同步折射率的光导纤维相比，它可以大大降低起爆药剂的阈值点火能量。

例如，可使Ti/KC1O4和掺杂碳黑的CP炸药的阈值能量降低约30%。

光纤既要与激光器相耦合，又要与点火器中的初级装药相耦合，其联接方式有三种：

1、光纤直接置入式：

光纤的一端直接封接在药剂中，另一端直接与激光器联接；

2、光纤“脚芯”式：

用短光纤作“脚芯”，类似于电点火中的金属脚线；

3、光学窗口式：

一个很薄的玻璃窗口或结晶材料，该晶体有两个相对的光进和光出的表面，其中一个或两个表面上镀上可被激光束汽化的金属（铝、金、银）消蚀镜面。

在入射表面和传输光纤交界处中心有一个开口，利于光束进入晶体，并防止杂散辐射。

当窗口输出端的镜面汽化时，其汽化产物能促进和增强激光束引起的爆轰。

光纤引出端和点火光缆纤维的联接有专用的光纤联接器。

有的联接器还要加一个转接口，以使光纤头部准确定位。

瑞典的一种激光二极管点火系统采用一个带有SMA型联接器的螺旋联接，点火光缆和点火器光纤的联接采用一个带有STC型联接器的卡口（插销）式联接，其有关数据见表2.3。

表2.3光纤联接器的有关数据

SMA-6140-2251

STC-3140-2151

衰减（dB）

0.9±

0.20

0.56±

孔的特征数据（mm）

0.143

0.144

对500个光缆的耐受能力（总损耗dB）

≤0.2

≤0.1

工作温度（℃）

-40～+120

-40～+80

第七节激光点火器

激光点火器包括光纤联接器、一段点火光缆和起爆药剂。

对不同的输出激光脉冲要求使用相应的不同的起爆药剂才能有效点火。

表2.4所列药剂对不同的激光波长有不同的反应，用增益开关激光器发射的长持续时间脉冲对烟火剂和起爆药的点火要比猛炸药更容易。

目前的激光二极管输出功率还不足于直接起爆猛炸药，主要采用以燃烧转爆轰的形式实现点火起爆。

美海军研制的一种激光点火的燃烧转爆轰（DDT）起爆系统的基本装药为：

初级装药（点火药）：

HMX97%，碳黑3%，其中HMX的比表面积要求

达到7460cm2/g，高密度（ρ=1.55）（防止经过细孔

排气）。

过渡药：

HMX，比表面积为7460cm2/g，低密度（ρ=1.0）（以防爆轰成

长期增加）。

输出装药：

HMX（同上），ρ=1.2g/cm3。

对脉冲宽度为10ms的激光二极管阈值点火能量约为70～160mw、0.74mJ。

Ti/KC1O4，TiH0.65/KC1O4、Ti/H1.65KC1O4药剂的激光二极管阈值点火能量为2.8～3.3mJ。

CP炸药掺杂3.2%碳黑，其10ms脉冲的点火阈值达0.47mJ。

实验指出，比表