激光起爆器光学窗口的研究.pdf

爆破器材E x p l o s i v eb i a t e r i a l s 第4 0 卷第5 期 激光起爆器光学窗口的研究‘ 聂祥进匡治兵 贵州久联民爆器材发展股份有限公司 贵州贵阳，5 5 0 0 0 1 [ 摘要] 文章设计了平面透镜、单凸透镜、双凸透镜组及格林透镜等几种光学窗口．并通过发火试验详细讨论了 几种窗口的优劣。研究结果表明，自聚焦透镜发火闽值要远低于其它光学透镜结构发火能量．是l g 前最为理想的 窗口透镜。 [ 关键词] 激光起爆器光学窗口格林透镜起爆 [ 分类号] T J 4 5 0 ．4 引言 激光起爆技术是以半导体激光器或固体激光器 发射的激光作为能源，采用光纤传输激光能量，使激 光起爆器、点火器作用的火工技术。与常规的桥式 点火火工装置相比，它具有以下几个显著的优点 1 激光起爆点火系统彻底地避免了因电磁 场、静电放电和杂散电流造成的意外点火； 2 对全系统的白检不会影响整个系统的安全 性和可靠性； 3 火工装置的装药钝感”Ⅲ。这些特点使激 光起爆技术成为未来火工品的主要发展方向之 一【3 刮 。 据资料报道．激光起爆技术在美国的“侏儒”导 弹、P e g a s u s 等火箭的点火、级间分离等方面获得成 功。在油气井工程方面也得到广泛应用。我国在激 光起爆技术方面的研究起步较晚，只有中国工程物 理研究院、北京理工大学、南京理工大学、兵器工业 第2 1 3 所等几家单位开展了对激光起爆器的基础研 究。 光学窗口元件则是位于输入光纤与药剂之间的 光学玻璃等材料制成的透明固体，形成一个密封结 构窗口元件。光学窗口是激光起爆器的关键部件， 它设计的优劣直接决定着激光起爆器的发火性能。 1 激光起爆器光学窗口结构设计 激光起爆器接受光纤光缆传输的激光能量作为 初始激发能量，通过光学透镜等光学元器件聚焦至 炸药表面，火炸药吸收激光能量产生热点效应，最终 产生爆炸”“。激光起爆器最初采用的结构是封装 在金属壳体中的光纤直接与药剂接触．直接传输激 光能量至药剂表面，引爆药剂。它分为光纤插入式 耦合结构和端面接触式耦合，结构示意图见图1 。 绎羿 a b a 光纤插入式耦合； b 端面接触式耦合 I 一光纤；2 一药剂；3 一壳体 图1 光纤与火工药剂耦合方式 光纤插入式耦合结构通过一段光纤的尾部直接 插入药剂中，将激光能量耦合进药剂并发火。它的 特点在于能量耦合效率高、零部件制造工艺简单；但 是光纤尾的存在对于装药工艺要求较高。而经过改 进后形成的光纤端面接触式耦合，通过光纤的端面 研磨抛光加工，具有耦合效率高、密封性好、装配工 艺好的优点，但光纤组件的制造工艺和设备相对复 杂。 目前激光起爆器结构普遍采用光学窗口结构， 这种结构在接受到激光能量后，对激光能量进行聚 焦集中，提高激光的能量密度，同时能反馈一定比例 的激光功率给检测系统，提供整个激光起爆系统光 学回路是否完好的信息。此外，这种结构还有利于 激光起爆器的密封作用。 光学窗口结构主要有以下两种 1 光学透镜窗口结构，主要包括平面透镜、单 凸透镜、双凸透镜组等； 2 自聚焦透镜结构。 ●收稿日期2 0 1 1 - 0 6 - 2 4 作者简介聂样进 1 9 6 7 一 ．男，总工程师。主要从事民用爆破器材生产与研究。 通讯联累人匡治兵 1 9 7 7 一 ．男．工程师。主要从事火工品研究。E m a i l k a 南i b i 1 2 6 ．e o m 万方数据 2 0 1 1 年1 0 月激光起爆器光学窗口的研究聂祥进等 1 ．1 光学透镜窗口结构 光学透镜窗口结构使用光学透镜作为激光能量 的输入聚焦窗口。目前一般采用的光学透镜有平面 透镜、单凸透镜以及双凸透镜组。 图2 为各种光学透镜结构及光路简图。其中平 面透镜采用的材料可为蓝宝石、K 系列光学玻璃或 磷酸盐玻璃；而单凸透镜和双凸透镜组一般都采用 K 系列光学玻璃。 情坤嗣 图2 各光学透镜结构及光路简图 从光学原理上讲，一般光学透镜对激光的作用 都服从菲涅尔折射定律。图2 中D 为空气中激光 束扩散光斑直径，而d 为相同传播距离上透镜中激 光束扩散光斑直径。从直径D 和d 的对比可看出， 平面透镜对激光束的扩散仅能起改善缩小作用，而 单凸透镜和双凸透镜组则能起汇聚作用。但是平面 透镜以及单凸透镜结构比较简单，而双凸透镜组则 要考虑两个透镜间光轴准直问题，对透镜座的加工 精度要求较高。 1 ．2 自聚焦透镜结构 自聚焦透镜结构采用自聚焦透镜作为激光能量 输入聚焦窗口。自聚焦透镜是一种径向渐变折射率 材料制成的柱状光学透镜，它具有准直、聚焦和成像 功能，又称为G R I N G r a d e dI n d e xL e n s e s 透镜悼j 。 普通透镜依赖于不同折射率的均匀介质边界上的分 离式折射而成像．而自聚焦透镜利用其可变折射率 的材料而连续折射成像。它具有独特的优点直径 很小，可使光学系统的结构微型化；端面是平面，便 于光学加工；长度的改变可使透镜的焦距和特性发 生变化，例如，只需调整折射率分布的梯度深度和透 镜的长度就可实现具有很短的焦距，而这用普通透 镜很难实现；具有准直和聚焦作用，且耦合效率高。 自聚焦透镜中，折射率分布是沿径向逐渐减小 的，折射变化J 7 、r r 由公式 1 表述。其折射率分布 曲线见图3 。 Ⅳ r ／V o 1 一_ r A 光线轨迹为 ‰】 【_ 淼 Ⅳ ， 厂弋胁 2 图3 自聚焦透镜折射率分布曲线 式中r 自聚焦棒光纤的纤芯半径； n 。自聚焦透镜的中心折射率； A 自聚焦透镜的聚焦常数； Z - 一自聚焦棒的长度。 从式 2 可以看到，自聚焦棒中光线轨迹类似 正弦曲线，图4 为自聚焦透镜中光线轨迹示意图。 图中箭头线代表光线传播所成物像。 寒忒厥 丝￡- } 一 1 1 2 P 一 ．1 P 一 图4自聚焦透镜中光线轨迹示意图 2 激光起爆器光学窗口与药剂耦合结构及相关试 验 激光起爆器中光学窗口设计主要考虑光学窗口 对于指定波长激光的透射率、反射率以及聚焦能力 等因素。透射率是为了保证有足够的能量起爆药 剂；反射率是为了反射回一定比例的激光以便于对 激光起爆器完备性的检测；而聚焦能力则直接影响 到激光能否起爆药剂以及起爆时间，以透射后光功 率密度来衡量。 从文献资料上来看【9 】，目前激光点火或起爆使 用的光学窗口主要有光学透镜及自聚焦透镜。下面 就这两种光学结构及它们与药剂的耦合形式进行对 比和试验。 2 ．1 光学透镜结构 光学透镜分为平面透镜、单凸透镜以及双凸透 镜组三种结构。 图5 为三种光学透镜结构起爆器简图。试验中 采用s T 连接器结构和B N C P 装药进行对比发火试 汀 ．矾皿 佤咄 万方数据 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 0 卷第5 期 验。设备连接如图6 所示，试验结果见表1 所示。 b 壳体聚焦透镜组装药套装药 F 马 l／ ．一≮j 瓞繇澜 哪～j ] 1 c a 平面透镜； b 平凸透镜； c 平凸透镜组 图5 光学透镜结构起爆器简图 电缩尾纤 一光纤二一 l 驱动电谭H 激光器H 连接嚣H 激光火工品试验件I 图6 激光器与试件设备连接简图 表l光学透镜结构对比发火试验 从表l 可看出，三种透镜结构的光功率透过率 相当，都在8 5 ％以上。但平面透镜的光学特性决定 了它对激光束有一定的扩散作用，造成光功率密度 下降，在其他条件相同时，发火阈值较高。 平凸透镜的光学特性决定了它对激光具有聚焦 作用。由于激光火工品中火工药剂必须紧贴平凸透 镜。所以透镜焦距越小才能使出光光斑越小，从而提 高激光的功率密度，更易发火；而平凸透镜焦距与凸 面曲率半径有关，目前最小达到R O ．6 Ⅻ，发火试 验结果对比表明，它对于点火阈值的降低具有一定 的效果。 平凸透镜的组合通过两个透镜间焦距的配合， 可达到焦距等于0 的理想状态；但也存在透镜组件 体积过大、透镜需要精密安装等缺点。对此结构进 行的B N C P 点火试验，最低点火阈值为O ．3 W ，但多 次试验一致性较差，说明透镜组合的影响因素比较 多。 2 ．2 自聚焦透镜结构 自聚焦透镜结构的起爆器一般采用O ．5P 自聚 焦透镜，光路分析如图7 所示。对于人射光斑D 而 言。经过自聚焦透镜后，在输出光端面形成与人射光 斑相同大小的光斑d ；而反射光将在原来人射光斑 处形成光斑d 。，这样既能满足发火需要，又能提供 一定的反射光检测发火光回路的完好情况，而且结 构简单，只需将原光学透镜结构中透镜换成自聚焦 透镜即可。按照图8 结构装配药剂进行了发火试 验。试验结果如表2 所示。 试验结果表明，自聚焦透镜透过率都在8 5 ％以 。l 百、j 透射专 光爿棼 图7 自聚焦透镜结构及光路分析 图8 自聚焦透镜结构起爆器 袁2O ．5 _ P 自聚焦透镜结构的发火试验 万方数据 2 0 1 1 年l O 月 激光起爆器光学窗口的研究聂祥进等 2 5 上，使用1 0 0 岬芯径光纤和B N C P 装药，其发火阈 值在0 ．1 0w ，这比其它结构的激光起爆器的发火阈 值都低。 3 结论 通过上述试验及理论分析，初步了解激光起爆 器的各种光学窗口结构的优缺点。从理论分析，平 凸透镜组发火阈值最低，但由于影响因素比较多，装 配困难，试验结果说明它并不是最理想的光学窗口。 在相同装药条件下发火，自聚焦透镜发火阈值要远 低于其它光学透镜结构发火能量，是目前最为理想 的窗口透镜。 参考文献 [ 1 ] 胡艳，沈瑞琪，叶迎华．激光点火技术的发展[ J ] ．含 能材料，2 0 0 0 ，8 3 1 4 1 - 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