激光点火就是利用高能量激光点燃含能材料。以激光点火控制技术为基础的点火系统具有五大优点:①简单的点传火序列;②高可靠性和安全性;③良好的长贮性能;④灵活的点火源分布;⑤高的点火一致性。正是这些所特有的优点使激光点火控制技术得到高度的重视。由于能量形式独特、抗电磁干扰能力强等固有高安全性的特点,激光点火在军事、航空、航天等领域具有重要的应用价值。详细介绍了激光点火的基本模式、工作原理、点火方式、激光点火系统以及其发展趋势。

激光点火是未来武器安全点火的重要发展方向之一。文中简要介绍了四种激光点火模式的工作原理和特点，对激光点火的作用机理进行了详细分析，并对其发展趋势进行了展望。

激光点火是指用激光的能量引爆或引燃炸药。激光点火技术的研究开始于 20 世纪 60 年代中期，其最初是在美国能源部进行研究的。当时的研究目的很明确，就是要用激光点火装置取代热电阻点火系统、DDTT雷管及引爆器，以满足武器安全的需要。

与传统的点火方式相比，激光点火系统有以下优点：

(1)用光纤取代桥丝和引线,既可避免因电磁脉冲(EMP)、高功率微波(HPM)、强射频(RF)和静电等干扰信号产生的误点火，还可避免因桥丝带来的锈蚀，点火后电阻(RAF)和绝缘电阻的变化；

(2)激光点火系统容易实现多点同步起爆,并可重复使用；

(3)利用激光起爆技术可实现猛炸药的爆燃转爆轰(DDT)；由于激光点火系统中去掉了敏感的起爆药，所以在生产、运输及勤务处理中更加安全。20 世纪 80 年代中期随着激光器小型化及激光二极管、低损耗光纤的出现与应用，激光点火技术已经得到了相应的发展.

从 20 世纪 70 年代到现今，美国针对激光点火提出了 4 种模型：

(1)光-电混合点火模型；

(2)激光二极管点火模型；

(3)激光直接点火模型；

(4)激光驱动冲击点火模型。

光-电混合点火技术(OEI)始于 20 世纪 80 年代，其设计思想是将光能转化为电能，在特殊的光指令信号的驱动下，使电容器放电引爆雷管。 激光二极管点火(LDI)技术利用激光二极管发出的光脉冲，通过光纤引出，透过密封光学窗，照射猛炸药，经过一定时间的热积累，实现炸药的点火。激光二极管的输出能量虽然很低，但由于点火装置很小，适宜作为武器、烟火药的点火。目前，该项目可行性论证工作已完成，已开展相应的工程设计。

直接激光点火(DOI)是利用光直接作用在一层铝膜上，使其汽化至等离子化，冲击炸药起爆。因此，作用时间短，需要的功率密度大。目前Sandia实验室的“DOI”计划理论工作和实验研究进展顺利，但工程化和小型化遇到不少困难。主要是装置运行的热环境和力学环境适应能力都很差，系统组件小型化方面也存在不相当的难度。其中激光器的小型化问题一直得不到很好地解决，同时光纤的损伤几率也比较大。

激光驱动冲击点火（LDSF）是美国能源部在原来电驱动冲击片点火基础上发展起来的一种新型拍击式点火方式，英文简称“Slapper”。它利用了激光的优良性能以及光纤技术方面取得的成果，因此被公认为最有前途的点火方式。它的基本原理是：利用激光直接作用与金属膜，使之部分汽化至等离子化，余下部分被加速冲击炸药。其金属膜的厚度一般在微米量级，点火所需功率密度为GW/cm2。Sandia国家实验室和Los Alamos国家实验室均在此方面作了大量实验。目前，激光器一般采用 10 ns脉宽的YAG激光器，金属膜选用铝和铜，膜直接沉积在光学衬底或光纤端部，光纤直径一般在 0.2~1.0 mm之间。2000年，Sandia国家实验室在 0.4 mm芯径的端部沉积数十微米厚的铝膜，激光能量为 30 mJ，照射 80 ns后，测得飞片速度为 3 km/s，激光能量转化率为 35%。

把激光作为一种“精密”点火源,起爆或点燃火工品的技术,即为激光点火技术。激光点火是一种安全、可靠、轻便的新型点火技术,与常规的电桥丝雷管点火相比,其优点是:抗干扰能力强,避免了电磁波、静电等电信号的干扰;安全性高,实现了炸药、烟火剂与电源装置有效隔离及钝感点火;技术易于拓展,可实现猛炸药的爆燃转爆轰、装置小型化和多点起爆功能。

20世纪60年代末至70年代初,BRISH,MENICH-ELLI等人率先介绍了激光作为起爆源的使用。BRISH等人最先介绍了激光点火的机理。我国从20世纪70年代开始研究激光点火的原理,取得了一定成绩。

20世纪80年代中期,由于激光器体积小型化,性能光纤出现,耦合技术的发展等使激光点火技术得到迅速发展。20世纪90年代,美国将其列为重点研发项目。1992年,美国军标MIL-STD-1901首次要求把激光点火用于直列式点火。国外已经把激光点火应用在航空,航天和军事领域。

激光点火系统需产生、传输高能量密度的激光,受激光器、激光器驱动电源、能量光纤、高能量密度激光耦合与分束等技术的制约,目前尚难以实现系统的小型化。1962年,美国HALL,NATHAN和HOLORNYAK研制成功半导体GaAs同质结激光二极管。激光二极管代替固体激光器进行激光点火,为激光点火装置小型化提供了美好的前景。

目前公认的激光点火机理如下:

(1)激光热点火。主要通过激光瞬间产生的高能热量,点燃引爆药;

(2)激光的化学反应点火。含能材料分子吸收特定频率的激光光子并发生离解,产生的高活性高速离子近一步引起化学链反应,实现点火;

(3)激光的冲击起爆作用;

(4)激光的电离与等离子体点火。

根据文献[5],激光点火主要是热点火;光化学作用对激光波长有很强的选择性;电离与等离子体点火要求的激光能量密度远大于每平方厘米吉瓦。因此,激光二极管点火属于热点火机理。

激光点火主要有3种实现方式:激光直接点燃炸药;激光快速加热与炸药接触的薄膜引爆炸药;通过激光照射金属膜,产生高速飞片撞击炸药将其引爆。YONG认为,激光驱动飞片点火方式的安全性最高。

激光直接点火

激光通过光纤传输直接与引爆药接触,主要是激光辐射引爆药一点,使其急剧升温达到起火温度,引爆炸药。

对直接点火的研究已经有很多报道。研究的主要参数有:装药密度、颗粒大小、特出表面积、掺杂、激光

波长、激光脉冲宽度、激光束斑点大小、密封性、密封材料等。这些参数对点火能量阈值均有影响。直接点火

有一个爆燃转爆轰的过程,因此时间延迟较长,可达上百纳秒。

激光快速加热薄膜

激光快速加热薄膜,薄膜在高能量密度激光(每平方厘米吉瓦以上)的照射下,产生高速、高温等离子体,与炸药作用产生爆炸。

薄膜(铝,铜等)较薄(微米级)时的情况较为复杂。1976年,YANG和MENICHELLI选取26种厚度0. 004μm～1μm的不同薄膜,研究了激光脉冲宽度、薄膜厚度、照射能量密度、炸药形态等因素对应力脉冲的影响。只有近10%的激光脉冲能量转化为应力能,其余能量一部分被反射、一部分用于薄膜的烧蚀与电离[6]。

激光快速加热与炸药接触的薄膜引爆炸药技术,还有很多问题不能合理解释,需要更加深入的研究。

激光驱动飞片点火

激光驱动飞片的点火装置是高能量密度激光照射薄膜,薄膜部分等离子化产生高速离子体,驱动薄膜碎片(飞片)猛烈撞击炸药起爆激光能量密度一般为每平方厘米吉瓦以上,飞片速度可达5km /s。激光能量转化为飞片动能的耦合效率只有40%左右。飞片尺寸受薄膜材料种类与厚度、激光能量等因素影响,直径一般为数毫米,厚度为1μm～1000μm。

现阶段报道的提高激光能量———飞片动能耦合效率的方法有:在金属薄膜内填充一层厚度小于0. 25μm

的介质层,可以使飞片动能与激光能量之比达到50%;在光纤末端直接淀积飞片薄膜,由于其简单、可靠、高效,已经得到广泛认可。

飞片加速度可达10Gm /s2,并且在20ns内加速到最大速度的90%。测试飞片速度可采用激光速度干涉仪(VISAR)或光记录的激光速度干涉仪(ORVIS)。VISAR系统主要有光电倍增管和信号记录仪组成,目前光电倍增管的响应时间和信号记录采样频率还不能够完全满足测量飞片速度的要求,容易出现“丢波”现象。ORVIS虽然不使用光电倍增管和数字示波器,而用高速变相管相机。但是其操作复杂,数据处理困难,花费昂贵。因此其实际操作也存在比较大的困难。

GU等人提出了利用石英压力传感器测量飞片平均速度的方法,简单可靠,一定程度上满足精度要求,其响应时间小于1ns,精度在10%以内。

激光点火系统主要由发火控制系统、安保装置、驱动电源及激光器、光纤、光纤连接器、火工品组成。

发火控制系统

发火控制系统主要由传感器、信息处理系统和发火装置组成。信息处理系统根据传感器探测到的环境信号或目标信息,计算判断是否发火,并将发火控制信号传递给发火装置。

保险与解除保险装置

随着技术的进步,全电子安全系统迅速崛起。全电子安全系统使用钝感炸药激光点火,提高了在生产,运输,储存等方面的固有安全性;系统的响应时间更短等等优点,使其发展前景更加广阔。

在因预定发射而解除保险的程序完成之前,应该至少需要一个隔爆件(回转板,滑片,转子等)将爆炸元件与导爆药和传爆药在功能上分开。激光点火使用的是钝感炸药,可以不使用隔片。可以通过“断电”或“断光”来控制激光能量的产生或传输,实现激光点火的保险与解除保险。例如,可以在激光器驱动电路中加保险环节,即为电子安保装置;也

可在激光器与火工品之间加保险环节,即为机电或光电安保装置。

利用MEMS工艺制作的微安保机构,可以从根本上改善现在引信的安全和起爆性能:可靠性可提高5倍～10倍;储存寿命可达20年以上;体积可降低1～2个数量级,易于与激光二极管、集成光路集成,实现激光点火系统的小型化。

激光器及其驱动电路

激光器是激光点火的关键部件,激光器的选取取决于激光器当前发展水平、炸药起火阈值、体积要求、应用环境要求等。

激光器输出功率从毫瓦到吉瓦不等,大部分激光器的输出功率满足激光点火应用需求,但高功率激光传输、耦合方面的安全性及激光器小型化方面还需研究、创新。

要减小激光点火系统的体积,激光二极管的应用是一种必然。目前的主要问题是激光二极管的输出能量不够。美国CEO公司已经生产出了50W脉冲激光二极管线阵,工作温度为室温,工作波长为808nm;连续二极管阵列的输出功率可提高10倍。美国RPMC公司LDX系列的激光二极管功率达到100W,工作波长808nm;美国Spectra-Physics公司生产的光纤耦合单发射极激光二极管功率为0. 4W～1. 2W,工作波长808nm～830nm,其典型斜度效率为0. 7W /A,典型转化效率大于25%,最大工作电压2V,工作温度在25℃ ～32℃之间,波束散度是NA=0. 08。对于脉冲激光二极管阵列,其峰值功率为50W,120W,1500W,4800W不等,输出峰值功率为350kW的脉冲式激光二极管阵列

也已出现。可见,激光二极管正在迅猛发展。

由于现在高功率脉冲激光难以耦合到光纤,而且难以在光纤中传播,因此,一般不要求使用调Q激光器。为了保证激光输出的稳定,防止尖峰脉冲的出现,保护激光器,避免激光器意外启动,杜绝可能发生的危险。因此,对激光器驱动电路提出了特出的要求。

光纤

在激光点火系统中,光纤是激光能量传输的通道。如果采用激光二极管作为光源,由于其功率不是很高,而点燃钝感炸药又需要较高的点火阈值能量,则提高能量光纤的传输效率及光纤部件的耦合效率意义重大。

随着大功率半导体激光器阵列的出现,激光器小型化成为可能;随着微电子、微机械、微光学技术的发展,激光点火系统小型化成为可能。

检测器共同组成了一种内建自检测装置,光检测器通过探测由LED发出的普通光,检测整个光路是否已经

接通,并且能够计算出光路的传输效率。自毁系统可以使光开关永久断开。

现在的固体激光器,单脉冲能量可以达到焦耳量级,脉冲宽度只有几个纳秒,因此点火响应时间可以大大降低。

对激光束分光,可实现多点同步点火;选通光路,可实现寻址点火。