[科普中國]-激光點(diǎn)火

簡介

激光點(diǎn)火是未來武器安全點(diǎn)火的重要發(fā)展方向之一。文中簡要介紹了四種激光點(diǎn)火模式的工作原理和特點(diǎn)，對激光點(diǎn)火的作用機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析，并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

激光點(diǎn)火是指用激光的能量引爆或引燃炸藥。激光點(diǎn)火技術(shù)的研究開始于 20 世紀(jì) 60 年代中期，其最初是在美國能源部進(jìn)行研究的。當(dāng)時的研究目的很明確，就是要用激光點(diǎn)火裝置取代熱電阻點(diǎn)火系統(tǒng)、DDTT雷管及引爆器，以滿足武器安全的需要2。

與傳統(tǒng)的點(diǎn)火方式相比，激光點(diǎn)火系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)用光纖取代橋絲和引線,既可避免因電磁脈沖(EMP)、高功率微波(HPM)、強(qiáng)射頻(RF)和靜電等干擾信號產(chǎn)生的誤點(diǎn)火，還可避免因橋絲帶來的銹蝕，點(diǎn)火后電阻(RAF)和絕緣電阻的變化；

(2)激光點(diǎn)火系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同步起爆,并可重復(fù)使用；

(3)利用激光起爆技術(shù)可實(shí)現(xiàn)猛炸藥的爆燃轉(zhuǎn)爆轟(DDT)；由于激光點(diǎn)火系統(tǒng)中去掉了敏感的起爆藥，所以在生產(chǎn)、運(yùn)輸及勤務(wù)處理中更加安全。20 世紀(jì) 80 年代中期隨著激光器小型化及激光二極管、低損耗光纖的出現(xiàn)與應(yīng)用，激光點(diǎn)火技術(shù)已經(jīng)得到了相應(yīng)的發(fā)展.

激光點(diǎn)火的基本模式
從 20 世紀(jì) 70 年代到現(xiàn)今，美國針對激光點(diǎn)火提出了 4 種模型3：

(1)光-電混合點(diǎn)火模型；

(2)激光二極管點(diǎn)火模型；

(3)激光直接點(diǎn)火模型；

(4)激光驅(qū)動沖擊點(diǎn)火模型。

光-電混合點(diǎn)火技術(shù)(OEI)始于 20 世紀(jì) 80 年代，其設(shè)計(jì)思想是將光能轉(zhuǎn)化為電能，在特殊的光指令信號的驅(qū)動下，使電容器放電引爆雷管4。 激光二極管點(diǎn)火(LDI)技術(shù)利用激光二極管發(fā)出的光脈沖，通過光纖引出，透過密封光學(xué)窗，照射猛炸藥，經(jīng)過一定時間的熱積累，實(shí)現(xiàn)炸藥的點(diǎn)火。激光二極管的輸出能量雖然很低，但由于點(diǎn)火裝置很小，適宜作為武器、煙火藥的點(diǎn)火。目前，該項(xiàng)目可行性論證工作已完成，已開展相應(yīng)的工程設(shè)計(jì)。
直接激光點(diǎn)火(DOI)是利用光直接作用在一層鋁膜上，使其汽化至等離子化，沖擊炸藥起爆。因此，作用時間短，需要的功率密度大。目前Sandia實(shí)驗(yàn)室的“DOI”計(jì)劃理論工作和實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展順利，但工程化和小型化遇到不少困難。主要是裝置運(yùn)行的熱環(huán)境和力學(xué)環(huán)境適應(yīng)能力都很差，系統(tǒng)組件小型化方面也存在不相當(dāng)?shù)碾y度。其中激光器的小型化問題一直得不到很好地解決，同時光纖的損傷幾率也比較大5。
激光驅(qū)動沖擊點(diǎn)火（LDSF）是美國能源部在原來電驅(qū)動沖擊片點(diǎn)火基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型拍擊式點(diǎn)火方式，英文簡稱“Slapper”6。它利用了激光的優(yōu)良性能以及光纖技術(shù)方面取得的成果，因此被公認(rèn)為最有前途的點(diǎn)火方式。它的基本原理是：利用激光直接作用與金屬膜，使之部分汽化至等離子化，余下部分被加速沖擊炸藥。其金屬膜的厚度一般在微米量級，點(diǎn)火所需功率密度為GW/cm2。Sandia國家實(shí)驗(yàn)室和Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室均在此方面作了大量實(shí)驗(yàn)。目前，激光器一般采用 10 ns脈寬的YAG激光器，金屬膜選用鋁和銅，膜直接沉積在光學(xué)襯底或光纖端部，光纖直徑一般在 0.2~1.0 mm之間。2000年，Sandia國家實(shí)驗(yàn)室在 0.4 mm芯徑的端部沉積數(shù)十微米厚的鋁膜，激光能量為 30 mJ，照射 80 ns后，測得飛片速度為 3 km/s，激光能量轉(zhuǎn)化率為 35%。

把激光作為一種“精密”點(diǎn)火源,起爆或點(diǎn)燃火工品的技術(shù),即為激光點(diǎn)火技術(shù)。激光點(diǎn)火是一種安全、可靠、輕便的新型點(diǎn)火技術(shù),與常規(guī)的電橋絲雷管點(diǎn)火相比,其優(yōu)點(diǎn)是:抗干擾能力強(qiáng),避免了電磁波、靜電等電信號的干擾;安全性高,實(shí)現(xiàn)了炸藥、煙火劑與電源裝置有效隔離及鈍感點(diǎn)火;技術(shù)易于拓展,可實(shí)現(xiàn)猛炸藥的爆燃轉(zhuǎn)爆轟、裝置小型化和多點(diǎn)起爆功能。
20世紀(jì)60年代末至70年代初,BRISH,MENICH-ELLI等人率先介紹了激光作為起爆源的使用。BRISH等人最先介紹了激光點(diǎn)火的機(jī)理。我國從20世紀(jì)70年代開始研究激光點(diǎn)火的原理,取得了一定成績。
20世紀(jì)80年代中期,由于激光器體積小型化,性能光纖出現(xiàn),耦合技術(shù)的發(fā)展等使激光點(diǎn)火技術(shù)得到迅速發(fā)展。20世紀(jì)90年代,美國將其列為重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目。1992年,美國軍標(biāo)MIL-STD-1901首次要求把激光點(diǎn)火用于直列式點(diǎn)火。國外已經(jīng)把激光點(diǎn)火應(yīng)用在航空,航天和軍事領(lǐng)域。
激光點(diǎn)火系統(tǒng)需產(chǎn)生、傳輸高能量密度的激光,受激光器、激光器驅(qū)動電源、能量光纖、高能量密度激光耦合與分束等技術(shù)的制約,目前尚難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化。1962年,美國HALL,NATHAN和HOLORNYAK研制成功半導(dǎo)體GaAs同質(zhì)結(jié)激光二極管。激光二極管代替固體激光器進(jìn)行激光點(diǎn)火,為激光點(diǎn)火裝置小型化提供了美好的前景。

基本原理目前公認(rèn)的激光點(diǎn)火機(jī)理如下1:

(1)激光熱點(diǎn)火。主要通過激光瞬間產(chǎn)生的高能熱量,點(diǎn)燃引爆藥;

(2)激光的化學(xué)反應(yīng)點(diǎn)火。含能材料分子吸收特定頻率的激光光子并發(fā)生離解,產(chǎn)生的高活性高速離子近一步引起化學(xué)鏈反應(yīng),實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火;

(3)激光的沖擊起爆作用;

(4)激光的電離與等離子體點(diǎn)火。

根據(jù)文獻(xiàn)[5],激光點(diǎn)火主要是熱點(diǎn)火;光化學(xué)作用對激光波長有很強(qiáng)的選擇性;電離與等離子體點(diǎn)火要求的激光能量密度遠(yuǎn)大于每平方厘米吉瓦。因此,激光二極管點(diǎn)火屬于熱點(diǎn)火機(jī)理。

激光點(diǎn)火方式激光點(diǎn)火主要有3種實(shí)現(xiàn)方式:激光直接點(diǎn)燃炸藥;激光快速加熱與炸藥接觸的薄膜引爆炸藥;通過激光照射金屬膜,產(chǎn)生高速飛片撞擊炸藥將其引爆。YONG認(rèn)為,激光驅(qū)動飛片點(diǎn)火方式的安全性最高7。

激光直接點(diǎn)火
激光通過光纖傳輸直接與引爆藥接觸,主要是激光輻射引爆藥一點(diǎn),使其急劇升溫達(dá)到起火溫度,引爆炸藥。

對直接點(diǎn)火的研究已經(jīng)有很多報(bào)道。研究的主要參數(shù)有:裝藥密度、顆粒大小、特出表面積、摻雜、激光
波長、激光脈沖寬度、激光束斑點(diǎn)大小、密封性、密封材料等。這些參數(shù)對點(diǎn)火能量閾值均有影響。直接點(diǎn)火
有一個爆燃轉(zhuǎn)爆轟的過程,因此時間延遲較長,可達(dá)上百納秒。

激光快速加熱薄膜
如圖3所示,激光快速加熱薄膜,薄膜在高能量密度激光(每平方厘米吉瓦以上)的照射下,產(chǎn)生高速、高溫等離子體,與炸藥作用產(chǎn)生爆炸。

薄膜(鋁,銅等)較薄(微米級)時的情況較為復(fù)雜。1976年,YANG和MENICHELLI選取26種厚度0. 004μm～1μm的不同薄膜,研究了激光脈沖寬度、薄膜厚度、照射能量密度、炸藥形態(tài)等因素對應(yīng)力脈沖的影響。只有近10%的激光脈沖能量轉(zhuǎn)化為應(yīng)力能,其余能量一部分被反射、一部分用于薄膜的燒蝕與電離[6]。
激光快速加熱與炸藥接觸的薄膜引爆炸藥技術(shù),還有很多問題不能合理解釋,需要更加深入的研究。

激光驅(qū)動飛片點(diǎn)火
激光驅(qū)動飛片的點(diǎn)火裝置是高能量密度激光照射薄膜,薄膜部分等離子化產(chǎn)生高速離子體,驅(qū)動薄膜碎片(飛片)猛烈撞擊炸藥起爆激光能量密度一般為每平方厘米吉瓦以上,飛片速度可達(dá)5km /s。激光能量轉(zhuǎn)化為飛片動能的耦合效率只有40%左右。飛片尺寸受薄膜材料種類與厚度、激光能量等因素影響,直徑一般為數(shù)毫米,厚度為1μm～1000μm。
現(xiàn)階段報(bào)道的提高激光能量———飛片動能耦合效率的方法有:在金屬薄膜內(nèi)填充一層厚度小于0. 25μm
的介質(zhì)層,可以使飛片動能與激光能量之比達(dá)到50%;在光纖末端直接淀積飛片薄膜,由于其簡單、可靠、高效,已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可。
飛片加速度可達(dá)10Gm /s2,并且在20ns內(nèi)加速到最大速度的90%。測試飛片速度可采用激光速度干涉儀(VISAR)或光記錄的激光速度干涉儀(ORVIS)。VISAR系統(tǒng)主要有光電倍增管和信號記錄儀組成,目前光電倍增管的響應(yīng)時間和信號記錄采樣頻率還不能夠完全滿足測量飛片速度的要求,容易出現(xiàn)“丟波”現(xiàn)象。ORVIS雖然不使用光電倍增管和數(shù)字示波器,而用高速變相管相機(jī)。但是其操作復(fù)雜,數(shù)據(jù)處理困難,花費(fèi)昂貴。因此其實(shí)際操作也存在比較大的困難。
GU等人8提出了利用石英壓力傳感器測量飛片平均速度的方法,簡單可靠,一定程度上滿足精度要求,其響應(yīng)時間小于1ns,精度在10%以內(nèi)。

激光點(diǎn)火系統(tǒng)
激光點(diǎn)火系統(tǒng)主要由發(fā)火控制系統(tǒng)、安保裝置、驅(qū)動電源及激光器、光纖、光纖連接器、火工品組成9。

發(fā)火控制系統(tǒng)
發(fā)火控制系統(tǒng)主要由傳感器、信息處理系統(tǒng)和發(fā)火裝置組成。信息處理系統(tǒng)根據(jù)傳感器探測到的環(huán)境信號或目標(biāo)信息,計(jì)算判斷是否發(fā)火,并將發(fā)火控制信號傳遞給發(fā)火裝置。

保險(xiǎn)與解除保險(xiǎn)裝置
隨著技術(shù)的進(jìn)步,全電子安全系統(tǒng)迅速崛起。全電子安全系統(tǒng)使用鈍感炸藥激光點(diǎn)火,提高了在生產(chǎn),運(yùn)輸,儲存等方面的固有安全性;系統(tǒng)的響應(yīng)時間更短等等優(yōu)點(diǎn),使其發(fā)展前景更加廣闊。

在因預(yù)定發(fā)射而解除保險(xiǎn)的程序完成之前,應(yīng)該至少需要一個隔爆件(回轉(zhuǎn)板,滑片,轉(zhuǎn)子等)將爆炸元件與導(dǎo)爆藥和傳爆藥在功能上分開。激光點(diǎn)火使用的是鈍感炸藥,可以不使用隔片?？梢酝ㄟ^“斷電”或“斷光”來控制激光能量的產(chǎn)生或傳輸,實(shí)現(xiàn)激光點(diǎn)火的保險(xiǎn)與解除保險(xiǎn)。例如,可以在激光器驅(qū)動電路中加保險(xiǎn)環(huán)節(jié),即為電子安保裝置;也
可在激光器與火工品之間加保險(xiǎn)環(huán)節(jié),即為機(jī)電或光電安保裝置。
利用MEMS工藝制作的微安保機(jī)構(gòu),可以從根本上改善現(xiàn)在引信的安全和起爆性能:可靠性可提高5倍～10倍;儲存壽命可達(dá)20年以上;體積可降低1～2個數(shù)量級,易于與激光二極管、集成光路集成,實(shí)現(xiàn)激光點(diǎn)火系統(tǒng)的小型化。

激光器及其驅(qū)動電路
激光器是激光點(diǎn)火的關(guān)鍵部件,激光器的選取取決于激光器當(dāng)前發(fā)展水平、炸藥起火閾值、體積要求、應(yīng)用環(huán)境要求等。
激光器輸出功率從毫瓦到吉瓦不等,大部分激光器的輸出功率滿足激光點(diǎn)火應(yīng)用需求,但高功率激光傳輸、耦合方面的安全性及激光器小型化方面還需研究、創(chuàng)新。
要減小激光點(diǎn)火系統(tǒng)的體積,激光二極管的應(yīng)用是一種必然。目前的主要問題是激光二極管的輸出能量不夠。美國CEO公司已經(jīng)生產(chǎn)出了50W脈沖激光二極管線陣,工作溫度為室溫,工作波長為808nm;連續(xù)二極管陣列的輸出功率可提高10倍。美國RPMC公司LDX系列的激光二極管功率達(dá)到100W,工作波長808nm;美國Spectra-Physics公司生產(chǎn)的光纖耦合單發(fā)射極激光二極管功率為0. 4W～1. 2W,工作波長808nm～830nm,其典型斜度效率為0. 7W /A,典型轉(zhuǎn)化效率大于25%,最大工作電壓2V,工作溫度在25℃ ～32℃之間,波束散度是NA=0. 08。對于脈沖激光二極管陣列,其峰值功率為50W,120W,1500W,4800W不等,輸出峰值功率為350kW的脈沖式激光二極管陣列
也已出現(xiàn)?？梢?激光二極管正在迅猛發(fā)展。

由于現(xiàn)在高功率脈沖激光難以耦合到光纖,而且難以在光纖中傳播,因此,一般不要求使用調(diào)Q激光器。為了保證激光輸出的穩(wěn)定,防止尖峰脈沖的出現(xiàn),保護(hù)激光器,避免激光器意外啟動,杜絕可能發(fā)生的危險(xiǎn)。因此,對激光器驅(qū)動電路提出了特出的要求。

光纖
在激光點(diǎn)火系統(tǒng)中,光纖是激光能量傳輸?shù)耐ǖ馈Ｈ绻捎眉す舛O管作為光源,由于其功率不是很高,而點(diǎn)燃鈍感炸藥又需要較高的點(diǎn)火閾值能量,則提高能量光纖的傳輸效率及光纖部件的耦合效率意義重大。

激光點(diǎn)火系統(tǒng)的發(fā)展趨勢小型化
隨著大功率半導(dǎo)體激光器陣列的出現(xiàn),激光器小型化成為可能;隨著微電子、微機(jī)械、微光學(xué)技術(shù)的發(fā)展,激光點(diǎn)火系統(tǒng)小型化成為可能1。

檢測器共同組成了一種內(nèi)建自檢測裝置,光檢測器通過探測由LED發(fā)出的普通光,檢測整個光路是否已經(jīng)
接通,并且能夠計(jì)算出光路的傳輸效率。自毀系統(tǒng)可以使光開關(guān)永久斷開。

單脈沖點(diǎn)火
現(xiàn)在的固體激光器,單脈沖能量可以達(dá)到焦耳量級,脈沖寬度只有幾個納秒,因此點(diǎn)火響應(yīng)時間可以大大降低。

多模點(diǎn)火對激光束分光,可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同步點(diǎn)火;選通光路,可實(shí)現(xiàn)尋址點(diǎn)火。