激光点火系统用高功率光纤光开关

　  激光点火/起爆是利用激光能量点燃/起爆含能材料。激光能量利用光纤传输,提高了系统的实用性和集成性。在激光点火/起爆系统的传能光路中加入光开关,可以增加系统的安全性、有利于系统的小型化,实现多模寻址点火。在信息光子学领域,光开关作为光通信的重要部件得到研究者的普遍重视,研究广泛。其特点是激光功率低,只有mW量级;响应时间快,在ns~μs之间。而在能量光子学领域,光开关作为控制功率激光能量通断的件的研究报道还较少。美国马里兰大学的Cochran等人报道了两种应用于水下武器的保险与解除保险装置中控激光能量通断的微小型光纤光开关,采用微机械制造技术。其中一种为反射镜型光纤光开关,传输最大功率为1 W,光学传输效率为50%[1]。另一种为光纤直接连接型光纤光开关,由热执行器、悬臂梁、光纤夹持机构、两根能量光纤组成,激光功率容量达5.280 W,光开关的光学传输效率为88%。设定导通状态后,热执行器驱动悬臂梁,使附着其上的一根能量光纤与另一根固定的能量光纤逐渐对准,激光能量得以耦合到输出光纤端。其结构特点是未使用反射镜,光学传输效率较高[2]。因此为满足激光起爆应用,光纤光开关应具备以下特征:(1)“ON”状态下高的耦合效率;(2)光纤芯径较大(数百μm)且为了提高安全隔离度(“ON”,“OFF”状态切换快,“OFF”状态下能量尽可能隔离),需要大位移、大力矩的致动器;(3)环境适应性强,如抗振动、冲击等。本文针对激光点火/起爆系统应用特点,设计了一种高功率大位移光纤直接连接型光开关,满足激光点火/起爆系统的实用化发展需求。

    1　设　计

　  根据激光点火/起爆系统需求,工作波长选择1 064 nm,脉宽15 ns,光纤芯径400~600μm,数值孔径0.22。传能光纤在1 064 nm波段具有很高的透过率(99.5%)。光纤端面经过精密机械抛光,可以承受很高的激光功率密度。

　  设计的这种新型高功率光纤光开关结构如图1所示。它是通过步进电机带动微小型凸轮旋转,从而控制光纤的移动,实现光纤的对准或者错开。这里使用的是一种新型的永磁式单相单拍运行步进电机(外形尺寸20 mm×25 mm),它能在单极性电脉冲(电压12 V,电流1 A)的控制下实现连续的起动和步进运动,转动扭矩可达3.5 mN·m,电机绕组通电和断电时各转动一个90°步进角。微小型凸轮是光纤光开关的关键部件,它的外部轮廓决定光纤轴向位移量,它的加工精度影响光纤对准精度。

    2　仿　真

　  光纤光开关设计的核心内容是光纤与光纤的对准。光纤与光纤对准误差包括:轴向误差(x)、横向误差(y)和角度误差(θ)。减少光纤对准误差是光纤光开关设计的关键,它与光纤特性、执行器设计及步进电机稳定性等都有关系。我们建立了光纤光开关的光学模型和执行器的等效模型,并对其进行了仿真和数值计算,获得了主要的设计参数和指标。