激光点火起爆技术
-
第二章
激光点火起爆系统
激光点火（起爆）技术的研究始于
60
年代中期，由于激光器（主要是二极
管激光器）和低衰减光纤的发展，才使激光点火起爆成为现实。由于激光的非
电性带来
的高安全性等诸多优点，因此，它将是最主要的点火起爆技术之一。
第一节
激光点火起爆原理
激光点火起爆的机理主要有以下四种：
一、热起爆机理
激光携带的能量被照射的局部起爆药剂吸收，并在一定的照射深度内转换
成
热能，局部积聚发热升温，形成“热点”
，导致起爆药剂的燃烧或爆燃，然后
由燃烧转为爆轰。
增加药剂对激光的吸收率（如
掺杂
C
、
Zr
等）能降低点火所需的最小能量
（阈值）
。
二、冲击点火机理
高强度
的激光射线可对炸药产生冲击点火。当强激光脉冲照射到不透明的
固体表面（如铝膜）时
，会产生高温、高离子化的能强烈吸收激光射线的蒸发
物，并有很高的压力（约
1
×
10
5
MPa
）作用于固体表面，因而在固体中产生强
冲
击波而起爆装药。
三、电击穿机理
加压氮化铅的电击穿
场强度为（
1
×
10
< br>7
V/cm
）
。当激光达到临界
起爆强度
时，
可产生
0.7
×
10
7
V/cm
的平均电场强度，
而且激光所具有的自动聚焦性质又
< br>可使它增强
3
～
5
倍。
因此，
激光产生的电场的电击穿作用可以使某些
炸药起爆。
四、光致分解机理
29
在调
Q
的情况下，激光功率很大时导致分解而起爆。
激光对药剂作用
的机理与激光的波长及激光的输出方式等有关。自由振荡
激光器和调
Q
激光器输出的功率不同，对药剂的起爆机理就不完全一样，目前
< br>一般认为自由振荡激光器输出的激光引爆炸药的机理基本上属于热起爆机理，
而调
Q
激光器输出的激光引爆炸药的机理除热起爆外，
还可能存在因光化学反
应和激光冲击反应引起的起爆。
实际上，激光起爆过程可能是上述几个机理综合作用的结果。
第二节
激光点火起爆系统的组成
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
。
保险与
引爆
激光源
连接器
光输
电源发火信号
解除装置
光
光藕合器
装置
传感器
传感器
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，
< br>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
30
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
< br>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
系
统
性能
振动
冲击
g
g
10.0
27.0
19.0
225
1ms
3000
1ms
42
温度
°
F
<
/p>
-
6
5
～
1
6
0
光
纤
峰值
抗拉
寿命
功率
强度
年
2
GW/cm
PSI
0.4
7-10
0.1-10
30
7
5
0
.
< br>0
0
0
7
5
0
.
0
0
0
损耗
dB/
km
6
6
6
接头
损耗
dB/
界面
1
1
1
引爆装置
密封度
cc/s
小于
1
×<
/p>
10
-6
小于
1
×<
/p>
10
-6
可靠度
国防部
能源部
先进
空空
导弹
小型
洲际
导弹
18.7
15
45
～
1
10
7
5
0
.
0
0
0
6
1
使用的可<
/p>
靠性大于
0.9
3
，
测试
小于
的可靠性
1
×
10
< br>-6
要大于
0.9
4
。
小于
1
×<
/p>
10
-6
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（
< br>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。<
/p>
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。
<
/p>
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
< br>
31
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
×
12.7cm
3
重
量：
0.7kg
< br>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/cm
3
二、小型
Q
< br>开关钕玻璃激光器
外形尺寸：
9.5
×
15.8
×
33cm
3
重
量：
6.2kg
< br>输出能量：
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）
外形尺
寸：
8.9
×
6.1
< br>×
2.8cm
3
重
量：
0.34kg
输出能量：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
32
类
型
系
统
激光棒
掺杂物
美国空军
小型洲际弹道导弹
（
ICBM
）
F16A
战斗机
新型空
-
空导弹
（
AAAM
）
先进的发射系统
（
ALS
）
美国能源部
圣地亚国立试验室
/
光起爆装置
（
SNL/DOI
）
1
#
圣地亚国立试验室
/
光起爆装置
（
SNL/DOI
）
2
#
圣地亚国立试验
室
/
激光二极管起
爆装置
（
SNL/DOI
）
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。
铝
镓铝砷：
（
GaAlAs
）
—
PL-PL
钕
铬：
GSGG
闪光灯
PR-PR
< br>（
4
）
波长
谐振腔
形
式
CC-PL
PL-PL
（
2
）
发射脉冲
能量
（
mJ
）
300
6000
4000
100
300
宽度
0.12mS
10mS
10mS
连续波
25nS
激光
泵浦
闪光灯
P
ZP
（
1
）
λ
(nm)
1060
1053
1053
1060
1053
工作物质
钆
-
钪
-
钕
石榴石
（
GSGG
）
玻璃
玻璃
钇铝石榴石
（
Y
AN
）
玻璃
钕
钕
钕
钕
钕
（
3
）
PZP
闪光灯
闪光灯
PL-PL
PL-PL
PL-PL
1061
250
16nS
820
100
10mS
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
；
33
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；
<
/p>
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（
graded indes
）纤
维（梯度折射率纤维）和步长指数（
Step
ind
er
）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
100
μ
m
，包层直径为
14
0
μ
m
，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。<
/p>
例如，可使
Ti/KC1O
4
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。
34