雷射點火

雷射點火就是利用高能量雷射點燃含能材料。以雷射點火控制技術為基礎的點火系統具有五大優點:①簡單的點傳火序列;②高可靠性和安全性;③良好的長貯性能;④靈活的點火源分布;⑤高的點火一致性。正是這些所特有的優點使雷射點火控制技術得到高度的重視。由於能量形式獨特、抗電磁干擾能力強等固有高安全性的特點,雷射點火在軍事、航空、航天等領域具有重要的套用價值。詳細介紹了雷射點火的基本模式、工作原理、點火方式、雷射點火系統以及其發展趨勢。

基本介紹

• 中文名：雷射點火
• 外文名：Laser ignition
• 特點：可靠性高、儲存性好、火源靈活
• 類型：點火技術
• 領域：能源
• 學科：熱力學

雷射點火簡介

雷射點火是未來武器安全點火的重要發展方向之一。文中簡要介紹了四種雷射點火模式的工作原理和特點，對雷射點火的作用機理進行了詳細分析，並對其發展趨勢進行了展望。

雷射點火是指用雷射的能量引爆或引燃炸藥。雷射點火技術的研究開始於 20 世紀 60 年代中期，其最初是在美國能源部進行研究的。當時的研究目的很明確，就是要用雷射點火裝置取代熱電阻點火系統、DDTT雷管及引爆器，以滿足武器安全的需要。

優點

與傳統的點火方式相比，雷射點火系統有以下優點：

(1)用光纖取代橋絲和引線,既可避免因電磁脈衝(EMP)、高功率微波(HPM)、強射頻(RF)和靜電等干擾信號產生的誤點火，還可避免因橋絲帶來的鏽蝕，點火後電阻(RAF)和絕緣電阻的變化；

(2)雷射點火系統容易實現多點同步起爆,並可重複使用；

(3)利用雷射起爆技術可實現猛炸藥的爆燃轉爆轟(DDT)；由於雷射點火系統中去掉了敏感的起爆藥，所以在生產、運輸及勤務處理中更加安全。20 世紀 80 年代中期隨著雷射器小型化及雷射二極體、低損耗光纖的出現與套用，雷射點火技術已經得到了相應的發展.

基本模式

從 20 世紀 70 年代到現今，美國針對雷射點火提出了 4 種模型：

(1)光-電混合點火模型；

(2)雷射二極體點火模型；

(3)雷射直接點火模型；

(4)雷射驅動衝擊點火模型。

光-電混合點火技術(OEI)始於 20 世紀 80 年代，其設計思想是將光能轉化為電能，在特殊的光指令信號的驅動下，使電容器放電引爆雷管。 雷射二極體點火(LDI)技術利用雷射二極體發出的光脈衝，通過光纖引出，透過密封光學窗，照射猛炸藥，經過一定時間的熱積累，實現炸藥的點火。雷射二極體的輸出能量雖然很低，但由於點火裝置很小，適宜作為武器、煙火藥的點火。目前，該項目可行性論證工作已完成，已開展相應的工程設計。
直接雷射點火(DOI)是利用光直接作用在一層鋁膜上，使其汽化至等離子化，衝擊炸藥起爆。因此，作用時間短，需要的功率密度大。目前Sandia實驗室的“DOI”計畫理論工作和實驗研究進展順利，但工程化和小型化遇到不少困難。主要是裝置運行的熱環境和力學環境適應能力都很差，系統組件小型化方面也存在不相當的難度。其中雷射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。
雷射驅動衝擊點火（LDSF）是美國能源部在原來電驅動衝擊片點火基礎上發展起來的一種新型拍擊式點火方式，英文簡稱“Slapper”。它利用了雷射的優良性能以及光纖技術方面取得的成果，因此被公認為最有前途的點火方式。它的基本原理是：利用雷射直接作用與金屬膜，使之部分汽化至等離子化，餘下部分被加速衝擊炸藥。其金屬膜的厚度一般在微米量級，點火所需功率密度為GW/cm2。Sandia國家實驗室和Los Alamos國家實驗室均在此方面作了大量實驗。目前，雷射器一般採用 10 ns脈寬的YAG雷射器，金屬膜選用鋁和銅，膜直接沉積在光學襯底或光纖端部，光纖直徑一般在 0.2~1.0 mm之間。2000年，Sandia國家實驗室在 0.4 mm芯徑的端部沉積數十微米厚的鋁膜，雷射能量為 30 mJ，照射 80 ns後，測得飛片速度為 3 km/s，雷射能量轉化率為 35%。

把雷射作為一種“精密”點火源,起爆或點燃火工品的技術,即為雷射點火技術。雷射點火是一種安全、可靠、輕便的新型點火技術,與常規的電橋絲雷管點火相比,其優點是:抗干擾能力強,避免了電磁波、靜電等電信號的干擾;安全性高,實現了炸藥、煙火劑與電源裝置有效隔離及鈍感點火;技術易於拓展,可實現猛炸藥的爆燃轉爆轟、裝置小型化和多點起爆功能。
20世紀60年代末至70年代初,BRISH,MENICH-ELLI等人率先介紹了雷射作為起爆源的使用。BRISH等人最先介紹了雷射點火的機理。我國從20世紀70年代開始研究雷射點火的原理,取得了一定成績。
20世紀80年代中期,由於雷射器體積小型化,性能光纖出現,耦合技術的發展等使雷射點火技術得到迅速發展。20世紀90年代,美國將其列為重點研發項目。1992年,美國軍標MIL-STD-1901首次要求把雷射點火用於直列式點火。國外已經把雷射點火套用在航空,航天和軍事領域。
雷射點火系統需產生、傳輸高能量密度的雷射,受雷射器、雷射器驅動電源、能量光纖、高能量密度雷射耦合與分束等技術的制約,目前尚難以實現系統的小型化。1962年,美國HALL,NATHAN和HOLORNYAK研製成功半導體GaAs同質結雷射二極體。雷射二極體代替固體雷射器進行雷射點火,為雷射點火裝置小型化提供了美好的前景。

基本原理

目前公認的雷射點火機理如下:

(1)雷射熱點火。主要通過雷射瞬間產生的高能熱量,點燃引爆藥;

(2)雷射的化學反應點火。含能材料分子吸收特定頻率的雷射光子並發生離解,產生的高活性高速離子近一步引起化學鏈反應,實現點火;

(3)雷射的衝擊起爆作用;

(4)雷射的電離與電漿點火。

根據文獻[5],雷射點火主要是熱點火;光化學作用對雷射波長有很強的選擇性;電離與電漿點火要求的雷射能量密度遠大於每平方厘米吉瓦。因此,雷射二極體點火屬於熱點火機理。

雷射點火方式

雷射點火主要有3種實現方式:雷射直接點燃炸藥;雷射快速加熱與炸藥接觸的薄膜引爆炸藥;通過雷射照射金屬膜,產生高速飛片撞擊炸藥將其引爆。YONG認為,雷射驅動飛片點火方式的安全性最高。

雷射直接點火

雷射通過光纖傳輸直接與引爆藥接觸,主要是雷射輻射引爆藥一點,使其急劇升溫達到起火溫度,引爆炸藥。

對直接點火的研究已經有很多報導。研究的主要參數有:裝藥密度、顆粒大小、特出表面積、摻雜、雷射
波長、雷射脈衝寬度、雷射束斑點大小、密封性、密封材料等。這些參數對點火能量閾值均有影響。直接點火
有一個爆燃轉爆轟的過程,因此時間延遲較長,可達上百納秒。

雷射快速加熱薄膜

如圖3所示,雷射快速加熱薄膜,薄膜在高能量密度雷射(每平方厘米吉瓦以上)的照射下,產生高速、高溫電漿,與炸藥作用產生爆炸。

薄膜(鋁,銅等)較薄(微米級)時的情況較為複雜。1976年,YANG和MENICHELLI選取26種厚度0. 004μm～1μm的不同薄膜,研究了雷射脈衝寬度、薄膜厚度、照射能量密度、炸藥形態等因素對應力脈衝的影響。只有近10%的雷射脈衝能量轉化為應力能,其餘能量一部分被反射、一部分用於薄膜的燒蝕與電離[6]。
雷射快速加熱與炸藥接觸的薄膜引爆炸藥技術,還有很多問題不能合理解釋,需要更加深入的研究。

雷射驅動飛片點火

雷射驅動飛片的點火裝置是高能量密度雷射照射薄膜,薄膜部分等離子化產生高速離子體,驅動薄膜碎片(飛片)猛烈撞擊炸藥起爆雷射能量密度一般為每平方厘米吉瓦以上,飛片速度可達5km /s。雷射能量轉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、雷射能量等因素影響,直徑一般為數毫米,厚度為1μm～1000μm。
現階段報導的提高雷射能量———飛片動能耦合效率的方法有:在金屬薄膜內填充一層厚度小於0. 25μm
的介質層,可以使飛片動能與雷射能量之比達到50%;在光纖末端直接澱積飛片薄膜,由於其簡單、可靠、高效,已經得到廣泛認可。
飛片加速度可達10Gm /s2,並且在20ns內加速到最大速度的90%。測試飛片速度可採用雷射速度干涉儀(VISAR)或光記錄的雷射速度干涉儀(ORVIS)。VISAR系統主要有光電倍增管和信號記錄儀組成,目前光電倍增管的回響時間和信號記錄採樣頻率還不能夠完全滿足測量飛片速度的要求,容易出現“丟波”現象。ORVIS雖然不使用光電倍增管和數字示波器,而用高速變相管相機。但是其操作複雜,數據處理困難,花費昂貴。因此其實際操作也存在比較大的困難。
GU等人提出了利用石英壓力感測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,其回響時間小於1ns,精度在10%以內。

雷射點火系統

雷射點火系統主要由發火控制系統、安保裝置、驅動電源及雷射器、光纖、光纖連線器、火工品組成。

發火控制系統

發火控制系統主要由感測器、信息處理系統和發火裝置組成。信息處理系統根據感測器探測到的環境信號或目標信息,計算判斷是否發火,並將發火控制信號傳遞給發火裝置。

保險與解除保險裝置

隨著技術的進步,全電子安全系統迅速崛起。全電子安全系統使用鈍感炸藥雷射點火,提高了在生產,運輸,儲存等方面的固有安全性;系統的回響時間更短等等優點,使其發展前景更加廣闊。

在因預定發射而解除保險的程式完成之前,應該至少需要一個隔爆件(迴轉板,滑片,轉子等)將爆炸元件與導爆藥和傳爆藥在功能上分開。雷射點火使用的是鈍感炸藥,可以不使用隔片。可以通過“斷電”或“斷光”來控制雷射能量的產生或傳輸,實現雷射點火的保險與解除保險。例如,可以在雷射器驅動電路中加保險環節,即為電子安保裝置;也
可在雷射器與火工品之間加保險環節,即為機電或光電安保裝置。
利用MEMS工藝製作的微安保機構,可以從根本上改善現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20年以上;體積可降低1～2個數量級,易於與雷射二極體、集成光路集成,實現雷射點火系統的小型化。

雷射器及其驅動電路

雷射器是雷射點火的關鍵部件,雷射器的選取取決於雷射器當前發展水平、炸藥起火閾值、體積要求、套用環境要求等。
雷射器輸出功率從毫瓦到吉瓦不等,大部分雷射器的輸出功率滿足雷射點火套用需求,但高功率雷射傳輸、耦合方面的安全性及雷射器小型化方面還需研究、創新。
要減小雷射點火系統的體積,雷射二極體的套用是一種必然。目前的主要問題是雷射二極體的輸出能量不夠。美國CEO公司已經生產出了50W脈衝雷射二極體線陣,工作溫度為室溫,工作波長為808nm;連續二極體陣列的輸出功率可提高10倍。美國RPMC公司LDX系列的雷射二極體功率達到100W,工作波長808nm;美國Spectra-Physics公司生產的光纖耦合單發射極雷射二極體功率為0. 4W～1. 2W,工作波長808nm～830nm,其典型斜度效率為0. 7W /A,典型轉化效率大於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。對於脈衝雷射二極體陣列,其峰值功率為50W,120W,1500W,4800W不等,輸出峰值功率為350kW的脈衝式雷射二極體陣列
也已出現。可見,雷射二極體正在迅猛發展。

由於現在高功率脈衝雷射難以耦合到光纖,而且難以在光纖中傳播,因此,一般不要求使用調Q雷射器。為了保證雷射輸出的穩定,防止尖峰脈衝的出現,保護雷射器,避免雷射器意外啟動,杜絕可能發生的危險。因此,對雷射器驅動電路提出了特出的要求。

光纖

在雷射點火系統中,光纖是雷射能量傳輸的通道。如果採用雷射二極體作為光源,由於其功率不是很高,而點燃鈍感炸藥又需要較高的點火閾值能量,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。

發展趨勢

小型化

隨著大功率半導體雷射器陣列的出現,雷射器小型化成為可能;隨著微電子、微機械、微光學技術的發展,雷射點火系統小型化成為可能。

檢測器共同組成了一種內建自檢測裝置,光檢測器通過探測由LED發出的普通光,檢測整個光路是否已經
接通,並且能夠計算出光路的傳輸效率。自毀系統可以使光開關永久斷開。

單脈衝點火

現在的固體雷射器,單脈衝能量可以達到焦耳量級,脈衝寬度只有幾個納秒,因此點火回響時間可以大大降低。

多模點火

對雷射束分光,可實現多點同步點火;選通光路,可實現定址點火。