湛 贊，嚴 楠，李朝振，程 俊，高廣澤，曾雅琴，宋乾強

(1.北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室， 北京 100081；2.中國科學院國家天文臺， 北京 100101；3.兵器裝備研究院， 北京 102202；4.北京宇航系統(tǒng)工程研究所， 北京 100076)

隨著戰(zhàn)場電磁環(huán)境不斷惡化，常規(guī)的金屬橋絲電火工品越來越顯露出其弊端，造成了大量的意外發(fā)火事故[1]。激光火工品由于使用光纖代替導線實現(xiàn)含能材料與電系統(tǒng)的隔離，能從根本上解決火工品電磁干擾問題[2]。因此，激光點火與起爆技術成為重點研究方向，美軍標MIL-STD-1901[3]中將激光直列式點火系統(tǒng)推薦用于火箭彈和導彈等點火系統(tǒng)。激光火工品光路中可能存在光路連接件的插入損耗、光學器件質量散差、光纖折斷、彎曲、端面污染、劃痕或燒蝕等各種問題，造成光路損耗增大，降低了發(fā)火可靠性。為此，需要在系統(tǒng)點火作用之前對光路健康狀況進行檢測。傳統(tǒng)的檢測方法是將測試儀器接入到系統(tǒng)中分段測量，必須拆卸光纖連接器。因此，許多研究學者提出光路在線自檢方法(built-in-test，BIT)，這種方法能在激光點火系統(tǒng)不受任何損壞條件下檢測從激光源到激光換能元接收光信號的狀態(tài)。根據(jù)檢測光纖和點火光纖是否為同一根光纖可將系統(tǒng)分為單光纖BIT系統(tǒng)[4-5]和雙光纖BIT系統(tǒng)[6-8]。Ensign-Bickford 航空公司Barglowski等[4]采用光耦合器對反射回的檢測激光進行分束建立了單光纖BIT系統(tǒng)。祝明水等[5]采用光環(huán)形器對檢測激光進行提取，能夠判斷光路通斷情況。周浩等[6]通過藥劑表面對檢測激光的漫反射進行檢測，檢測激光接收率為1.30×10-5～4.32×10-5。曾雅琴等[7]采用厚度0.6 mm光窗鍍上雙向色膜設計了光窗式激光火工品，檢測激光接收率提高到6%，但光窗會增大點火激光光斑大小，降低了激光功率密度。曹軍勝[8]采用兩個1/4P的自聚焦透鏡設計了激光起爆器的光學窗口，輸出光斑大小和光纖芯徑保持一致，防止了光束的發(fā)散，但未給出具體性能指標。

目前國內(nèi)外關于激光點火系統(tǒng)光路檢測方式取得了豐富的成果，但針對激光點火系統(tǒng)光路能量傳遞機理研究較少，對光路能量損失的來源不夠清楚，無法從理論上確定在正常光路下?lián)p耗的大小，從而無法確定正常損耗和故障損耗之間的差別，影響了對光路故障的判斷。此外，光路檢測結果存在檢測激光接收率較低的問題?；诖?，本文研究擬用ZEMAX光學仿真改進原有的自聚焦激光火工品結構，設計了雙光纖自聚焦透鏡組件，該結構提高了檢測激光接收率，對激光點火系統(tǒng)光路檢測技術具有重要意義。

1 基于ZEMAX軟件的雙光纖自聚焦透鏡組件設計

ZEMAX是一款綜合性光學設計軟件，國內(nèi)有研究人員利用ZEMAX光學軟件仿真激光在多模光纖[9]與自聚焦透鏡[10]中的傳輸特性，仿真結果與試驗測量的結果基本一致。ZEMAX軟件按照功能不同分為序列模式和非序列模式，其中序列模式可以通過設置優(yōu)化函數(shù)(MeritFunction)實現(xiàn)對透鏡參數(shù)的優(yōu)化，而非序列模式則可以通過設置探測器(Detector)對光路各部分能量傳輸情況進行測試。本研究采用ZEMAX軟件序列模式優(yōu)化功能實現(xiàn)雙光纖自聚焦透鏡組件光斑聚焦效果，采用非序列模式對系統(tǒng)光路能量損失來源進行研究。

1.1 雙光纖自聚焦透鏡組件優(yōu)化設計

北京理工大學的程俊[11]通過光線理論計算發(fā)現(xiàn)，使用兩個1/4P自聚焦透鏡，可以先將發(fā)散光線準直后再聚焦；且使用大直徑自聚焦透鏡作為輸入端，小直徑自聚焦透鏡作為輸出端，臺階式結構動態(tài)密封性能較好，同時可以實現(xiàn)對輸入光斑的縮放。為防止自聚焦透鏡相互接觸造成鍍膜的脫落，以及防止端面的磨損，兩個自聚焦透鏡之間需設置一定的間隙。自聚焦透鏡之間的封接，可以采用真空封接或普通封接，由于空氣折射率和真空折射率相同，對光束折射效果相同，故從節(jié)省成本考慮采用普通封接的方式。為避免兩個自聚焦透鏡之間的間隙影響光束聚焦效果，故采用序列模式優(yōu)化函數(shù)的功能對第二自聚焦透鏡的聚焦光路進行優(yōu)化。

自聚焦透鏡的直徑一般有1 mm和1.8 mm兩種，為實現(xiàn)對輸入光斑的縮放，采用1.8 mm直徑的自聚焦透鏡作為第一自聚焦透鏡，1 mm直徑的自聚焦透鏡作為第二自聚焦透鏡。設置第一自聚焦透鏡節(jié)距為1/4P，直徑為1.8 mm，第二自聚焦透鏡的長度設置為變量，直徑為1 mm。建立優(yōu)化函數(shù)使光束聚焦在第二自聚焦透鏡后端面0.1 mm處。點擊Optimization進行優(yōu)化，優(yōu)化后第二自聚焦透鏡節(jié)距為0.22P，光線軌跡如圖1所示。

圖1 自聚焦透鏡光線軌跡

根據(jù)仿真優(yōu)化結果設計雙光纖自聚焦透鏡組件。雙光纖自聚焦透鏡組件選擇Φ1.8 mm和Φ1 mm組合的雙自聚焦透鏡。將Φ1.8 mm的1/4P的透鏡作為輸入端，Φ1 mm的0.22P的透鏡作為輸出端。從自聚焦透鏡光路傳輸原理可知，檢測激光通過1/4P的自聚焦透鏡后端面反射后的光斑，始終與入射光斑沿自聚焦透鏡中心軸呈中心對稱。因此，檢測光纖也應與點火光纖沿第一自聚焦透鏡的中心軸呈中心對稱，以提高檢測激光的接收率。為降低光纖與自聚焦透鏡的連接損耗，將點火光纖與檢測光纖沿光纖包層外壁緊貼著并列放置，并與自聚焦透鏡耦合進毛細玻璃管中，這樣可以有效降低由于裝配公差帶來的傳能損耗。

將第一自聚焦透鏡的前后端面作為第一、第二端面，第二自聚焦透鏡的前后端面作為第三、第四端面，在第一、三、四個端面鍍增透膜，在自聚焦透鏡的第二個端面鍍雙向色膜，要求對808 nm激光增透，透過率≥99%，對650 nm激光反射，反射率≥99%，這樣更多的檢測光進入檢測光纖來判斷光路的“健康”狀態(tài)。

為提高該雙光纖自聚焦透鏡組件的適用性，將毛細玻璃管封裝成為FC型光纖連接頭。設計加工好的雙光纖自聚焦透鏡組件實物如圖2、其結構示意圖如圖3。該結構可以與激光火工品通過FC螺紋進行連接，具有很好的適用性，可以廣泛應用于不同結構的激光火工品。

圖2 雙光纖自聚焦透鏡組件實物圖

圖3 雙光纖自聚焦透鏡組件結構示意圖

1.2 雙光纖自聚焦透鏡組件光能傳輸性能研究

為研究雙光纖自聚焦透鏡組件對點火激光的傳輸效率和對檢測激光的接收率，利用ZEMAX非序列模式對其光能傳輸過程進行仿真[12]。自聚焦透鏡參數(shù)與上文一致，并通過ZEMAX的鍍膜(coatings)功能在第一、三、四端面添加對650 nm和808 nm激光全透過膜層，在第二端面添加對650 nm激光全反射、對808 nm激光全透射的雙向色膜。雙光纖選擇芯徑為Φ105/125 μm的階躍多模光纖，纖芯材料為F_SILICA，包層材料為CAF2，兩根光纖以自聚焦透鏡的中軸對稱放置。為提高圖片的顯示效果，將點火光纖和檢測光纖之間的距離拉開顯示，實際仿真時點火光纖和檢測光纖為沿著光纖包層外壁緊貼著并列放置。

為得到點火激光的傳輸效率，設置點火激光波長為808 nm，激光功率為1 W。模擬出雙光纖自聚焦透鏡組件模型及點火激光傳輸光線軌跡如圖4所示。圖4中黑色部分為激光的光線軌跡，透鏡中激光呈正弦曲線傳播。左側的1/4P的自聚焦透鏡將光纖傳輸來的發(fā)散光束進行準直，右側的0.22P自聚焦透鏡對準直光束進行聚焦。在點火光纖前端面設置探測片S1，在第二個透鏡的右端面0.1 mm焦距上設置探測片S2，探測片S1功率為1 W，探測片S2功率為0.93 W，故點火激光傳輸效率為93%。

圖4 點火激光的光線軌跡

為得到檢測光纖對波長為650 nm光的接收率情況，設置650 nm檢測激光入射功率為1 mW，在檢測光纖前端面加一個探測片S3，模擬結果如圖5所示。結果表明檢測激光經(jīng)過1/4P自聚焦透鏡反射后大部分返回檢測光纖，探測片S1功率為1 mW，探測片S3功率為0.87 mW，故檢測激光接收率為87%。

圖5 檢測激光的光線軌跡

分析仿真結果中能量損失來源。由于自聚焦透鏡端面鍍上雙向色膜和增透膜，因此傳輸損耗主要由光纖端面的菲涅爾反射帶來的。按照菲涅爾定理[13]，光在兩種折射率不同的介質的交界面處會發(fā)生菲涅爾反射，大小由兩種介質的折射率決定，即：

(1)

式(1)中，χ為菲涅爾反射的反射率；n1、n2分別為兩種介質的折射率。點火激光傳輸效率為η點火，檢測激光接收率為η檢測。激光從光纖輸出后進入空氣，光纖纖芯F_SILICA的折射率為1.458 5，空氣的折射率為1，代入式(1)，計算得空氣-光纖界面的反射率χ1為3.48%。

對于點火激光，其經(jīng)過的空氣-光纖界面有兩個，如圖4中的1、2界面，即點火光纖的前后端面，忽視界面的二次反射，則點火激光傳輸效率為：

η點火=(1-χ1)2=93.16%

對于檢測激光，其經(jīng)過的空氣-光纖界面有四個，如圖5中的1、2、3、4界面，即點火光纖和檢測光纖的前后端面，忽視界面的二次反射，則檢測激光接收率為：

η檢測=(1-χ1)4=86.78%

從上文計算可以看出，對于點火激光傳輸效率，仿真值和理論值差別為0.16%，而對于檢測激光接收率，仿真值和理論值差別為0.22%。通過理論計算和仿真結果對比發(fā)現(xiàn)，對檢測光路和點火光路傳輸效率測試結果基本一致，驗證了仿真結果的正確性。從結果可得，在正常光路情況下，雙光纖自聚焦透鏡組件的損耗主要來自于不同界面的菲涅爾反射。

2 雙光纖自聚焦透鏡組件性能測試試驗

對加工好的雙光纖自聚焦透鏡組件性能進行測試。為此，建立雙光纖BIT系統(tǒng)試驗測試平臺。

雙光纖BIT系統(tǒng)包括點火控制單元、光能傳輸單元、激光換能元三部分。其中點火控制單元包括高功率點火激光二極管(點火LD)、低功率檢測激光二極管(檢測LD)、激光二極管驅動電源三部分；光路傳輸部分包括光纖與光纖連接器兩部分；激光換能元包括雙光纖自聚焦透鏡組件和激光點火器兩部分。雙光纖BIT系統(tǒng)原理圖如圖6。其中，點火激光和檢測激光波長不同。當系統(tǒng)檢測時，激光器尾纖輸出功率較小的檢測激光，檢測激光通過點火光纖傳輸至雙光纖自聚焦透鏡組件，通過雙光纖自聚焦透鏡組件上雙向色膜的反射進入檢測光纖中，并通過激光功率計測試檢測激光功率大小。根據(jù)激光功率計測得的檢測激光強弱，可以計算出系統(tǒng)的傳輸效率，從而判斷光路的完整情況。

圖6 雙光纖BIT系統(tǒng)原理圖

2.1 點火控制單元

點火激光的選擇依據(jù):一是點火裝藥對激光波長的特征感度，二是激光功率裕度。本文研究選擇了808 nm波長半導體激光器，最大輸出2 W，對激光火工品具備較大的能量裕度(按閾值功率0.2 W計算)。

AIAA-S-113-2016[14]要求點火激光和檢測激光波長不相同，其中輸出的檢測光不超過含能材料不發(fā)火能量的1/100，到達含能材料的檢測光大小應不超過不發(fā)火能量的1/104?？紤]到反射膜對波長選擇性能指標，點火激光波長與檢測激光波長區(qū)別應在100 nm以上，本研究選用檢測激光的波長為650 nm，選擇檢測激光輸出功率為0～2 mW。

2.2 光能傳輸單元

光纖：本系統(tǒng)設計選用多模階躍石英光纖，光纖芯徑Ф105/125 μm，數(shù)值孔徑0.22，光纖輸出端為FC/PC連接器，螺紋連接。

光纖連接器：本系統(tǒng)選用的是多模、FC/PC 型光纖連接器，螺紋連接方式，便于光纖連接操作。

按照圖6雙光纖BIT系統(tǒng)原理圖建立試驗測試平臺，采用激光功率計測試雙光纖自聚焦透鏡組件輸出點火激光功率大小。對808 nm點火激光傳輸效率η點火進行測試，調整點火激光輸出功率使尾纖輸出功率為1 W，然后通過激光功率計測量雙光纖自聚焦透鏡組件輸出端面的功率P1。對650 nm檢測激光接收率η檢測進行測試，調整檢測激光輸出功率使尾纖輸出功率為1 mW，然后通過激光功率計測量檢測光纖輸出功率P2。選取5發(fā)樣品，每個樣品測試5次，試驗結果如表1、表2所示。

從表1、表2可以看出，5個不同的雙光纖自聚焦透鏡組件點火激光傳輸效率在83.0%～85.9%，檢測激光傳輸效率在78.4%～81.0%。重復測量有一定誤差，最大差別為1.6%。仿真得到的點火激光傳輸效率和檢測激光接收率均大于試驗測試值，差別在10%以內(nèi)，證明了仿真結果的正確性。

表1 雙光纖自聚焦透鏡組件點火激光傳輸效率測試

表2 雙光纖自聚焦透鏡組件檢測激光接收率測試

由于仿真和理論計算得到的點火激光傳輸效率和檢測激光接收率均是在完全正常光路下純理論計算結果，而實際光路有很多不同的故障，會影響到光能傳輸。如光纖斷面污染、自聚焦透鏡的污染、自聚焦透鏡之間的裝配偏差、雙光纖與自聚焦透鏡的裝配偏差等均會影響到點火激光和檢測激光的光能傳輸。因此，理論和仿真值均大于試驗測試值。

3 結論

1) 通過理論和仿真計算確定了正常光路下雙光纖自聚焦透鏡組件能量損耗來源為不同界面的菲涅爾反射；

2) 雙光纖自聚焦透鏡組件對檢測激光接收率在78.4%～81.0%，遠遠大于公開報道的文獻，降低了檢測激光反射信號提取的難度，提高了檢測激光的信噪比；

3) 雙光纖自聚焦透鏡組件對點火激光的傳輸效率在83.0%～85.9%，滿足對點火激光功率的需求；

4) 仿真得到雙光纖自聚焦透鏡組件的能量損耗和試驗測試結果誤差在10%以內(nèi)，驗證了仿真結果的正確性。