激光點火

激光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激光點火模式的工作原理和特點，對激光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。

激光點火是指用激光的能量引爆或引燃炸藥。激光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，就是要用激光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。

與傳統的點火方式相比，激光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，點火后電阻(RAF)和絕緣電阻的變化；

(2)激光點火系統容易實現多點同步起爆，並可重複使用；

(3)利用激光起爆技術可實現猛炸藥的爆燃轉爆轟(DDT)；由於激光點火系統中去掉了敏感的起爆葯，所以在生產、運輸及勤務處理中更加安全。20世紀80年代中期隨著激光器小型化及激光二極體、低損耗光纖的出現與應用，激光點火技術已經得到了相應的發展.

從20世紀70年代到現今，美國針對激光點火提出了4種模型：

(1)光-電混合點火模型；

(2)激光二極體點火模型；

(3)激光直接點火模型；

(4)激光碟機動衝擊點火模型。

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。激光二極體點火(LDI)技術利用激光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。激光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。

直接激光點火(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”計劃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。

激光碟機動衝擊點火（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” 。它利用了激光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：利用激光直接作用與金屬膜，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LosAlamos國家實驗室均在此方面作了大量實驗。目前，激光器一般採用10ns脈寬的YAG激光器，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0.2~1.0mm之間。2000年，Sandia國家實驗室在0.4mm芯徑的端部沉積數十微米厚的鋁膜，激光能量為30mJ，照射80ns后，測得飛片速度為3km/s，激光能量轉化率為35%。

把激光作為一種“精密”點火源，起爆或點燃火工品的技術，即為激光點火技術。激光點火是一種安全、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等人率先介紹了激光作為起爆源的使用。BRISH等人最先介紹了激光點火的機理。我國從20世紀70年代開始研究激光點火的原理，取得了一定成績。

20世紀80年代中期，由於激光器體積小型化，性能光纖出現，耦合技術的發展等使激光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首次要求把激光點火用於直列式點火。國外已經把激光點火應用在航空，航天和軍事領域。

激光點火系統需產生、傳輸高能量密度的激光，受激光器、激光器驅動電源、能量光纖、高能量密度激光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同質結激光二極體。激光二極體代替固體激光器進行激光點火，為激光點火裝置小型化提供了美好的前景。

目前公認的激光點火機理如下 :

(1)激光熱點火。主要通過激光瞬間產生的高能熱量，點燃引爆葯;

(2)激光的化學反應點火。含能材料分子吸收特定頻率的激光光子併發生離解，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)激光的衝擊起爆作用;

(4)激光的電離與等離子體點火。

根據文獻，激光點火主要是熱點火；光化學作用對激光波長有很強的選擇性；電離與等離子體點火要求的激光能量密度遠大於每平方厘米吉瓦。因此，激光二極體點火屬於熱點火機理。

激光點火主要有3種實現方式：激光直接點燃炸藥；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，產生高速飛片撞擊炸藥將其引爆。YONG認為，激光碟機動飛片點火方式的安全性最高。

激光直接點火

激光通過光纖傳輸直接與引爆葯接觸，主要是激光輻射引爆葯一點，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道。研究的主要參數有：裝葯密度、顆粒大小、特出表面積、摻雜、激光

波長、激光脈衝寬度、激光束斑點大小、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。

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，產生高速、高溫等離子體，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，研究了激光脈衝寬度、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%的激光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。

激光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。

激光碟機動飛片點火

激光碟機動飛片的點火裝置是高能量密度激光照射薄膜，薄膜部分等離子化產生高速離子體，驅動薄膜碎片(飛片)猛烈撞擊炸藥起爆激光能量密度一般為每平方厘米吉瓦以上，飛片速度可達5km/s。激光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、激光能量等因素影響，直徑一般為數毫米，厚度為1μm～1000μm。

現階段報道的提高激光能量———飛片動能耦合效率的方法有：在金屬薄膜內填充一層厚度小於0.25μm

的介質層，可以使飛片動能與激光能量之比達到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激光速度干涉儀(VISAR)或光記錄的激光速度干涉儀(ORVIS)。VISAR系統主要有光電倍增管和信號記錄儀組成，目前光電倍增管的響應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，其響應時間小於1ns,精度在10%以內。

激光點火系統主要由發火控制系統、安保裝置、驅動電源及激光器、光纖、光纖連接器、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激光點火，提高了在生產，運輸，儲存等方面的固有安全性；系統的響應時間更短等等優點，使其發展前景更加廣闊。

在因預定發射而解除保險的程序完成之前，應該至少需要一個隔爆件(迴轉板，滑片，轉子等)將爆炸元件與導爆葯和傳爆葯在功能上分開。激光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”來控制激光能量的產生或傳輸，實現激光點火的保險與解除保險。例如，可以在激光器驅動電路中加保險環節，即為電子安保裝置；也

可在激光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，易於與激光二極體、集成光路集成，實現激光點火系統的小型化。

激光器及其驅動電路

激光器是激光點火的關鍵部件，激光器的選取取決於激光器當前發展水平、炸藥起火閾值、體積要求、應用環境要求等。

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火應用需求，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、創新。

要減小激光點火系統的體積，激光二極體的應用是一種必然。目前的主要問題是激光二極體的輸出能量不夠。美國CEO公司已經生產出了50W脈衝激光二極體線陣，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系列的激光二極體功率達到100W,工作波長808nm;美國Spectra-Physics公司生產的光纖耦合單發射極激光二極體功率為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。對於脈衝激光二極體陣列，其峰值功率為50W,120W,1500W,4800W不等，輸出峰值功率為350kW的脈衝式激光二極體陣列

也已出現。可見，激光二極體正在迅猛發展。

由於現在高功率脈衝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Q激光器。為了保證激光輸出的穩定，防止尖峰脈衝的出現，保護激光器，避免激光器意外啟動，杜絕可能發生的危險。因此，對激光器驅動電路提出了特出的要求。

光纖

在激光點火系統中，光纖是激光能量傳輸的通道。如果採用激光二極體作為光源，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。

隨著大功率半導體激光器陣列的出現，激光器小型化成為可能；隨著微電子、微機械、微光學技術的發展，激光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。

現在的固體激光器，單脈衝能量可以達到焦耳量級，脈衝寬度只有幾個納秒，因此點火響應時間可以大大降低。

對激光束分光，可實現多點同步點火；選通光路，可實現定址點火。