CN104386268A - 用于光纤传导的激光驱动飞片试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光纤传导的激光驱动飞片试验装置，包括激光器、扩束镜、聚焦镜、多模光纤、真空靶室、准直聚焦镜、飞片靶，其中，激光器、扩束镜、聚焦镜和多模光纤依次同中心轴线设置，激光器发射出激光，激光经扩束镜扩束后入射到聚焦镜上，激光再经聚焦镜会聚后入射多模光纤，多模光纤通过密封法兰穿设固定在真空靶室的侧壁上，多模光纤与真空靶室内的飞片靶之间依次平行设置位于同一中心轴线上的两个准直聚焦镜，入射多模光纤的激光出射后，依次入射两个准直聚焦镜，再次优化光斑质量，两个准直聚焦镜将高斯型输入激光光束转变成平顶型激光光斑，从而实现用光纤传导激光的方式驱动飞片。

Description

用于光纤传导的激光驱动飞片试验装置

技术领域

本发明属于航天器空间碎片防护技术领域，具体涉及一种激光驱动飞片的试验装置。

背景技术

微小空间碎片因其数量众多而成为威胁航天器外露材料性能的重要因素。因此，在地面开展针对航天器外露材料的微小空间碎片撞击试验非常必要。激光驱动飞片技术是用脉冲高功率激光辐照固体膜层(飞片靶)，烧蚀一部分膜层，并产生高温高压等离子体，利用等离子体的高压驱动剩余的膜层以高速飞行。该技术装置简单且成本低，在工程上有很大的优势。然而用于驱动飞片的固体脉冲激光器光束为高斯光束或准高斯光束，光斑能量分布不均匀，不利于发射出完整的高质量飞片，影响微小碎片的地面模拟效果；另外，原有激光驱动飞片试验系统光路方向不能改变，占用试验区面积大，难以与其它空间环境因素进行协同试验。

现有的光纤传输激光驱动飞片方法中，光纤均不能进入真空罐，不能模拟真空环境下光纤传输激光驱动的飞片对材料的撞击效果；且现有的光纤传输激光驱动飞片方式多为在光纤上沉积金属膜，每次发射后需要更换光纤或切断光纤进行端面处理后重新镀膜，技术难度大，成本高。

发明内容

本发明的目的在于实现激光驱动飞片系统中激光光斑能量的均匀化，提高驱动飞片的平整性，以增强地面模拟微小碎片撞击试验能力；利用光纤可弯折的特性改变激光出射方向，优化微小空间碎片模拟系统的位置，为与其它空间环境协同试验提供技术基础。

为此，本发明提出了一种用于光纤传导的激光驱动飞片试验装置，该装置的技术方案如下：

一种用于光纤传导的激光驱动飞片试验装置，包括激光器、扩束镜、聚焦镜、多模光纤、真空靶室、准直聚焦镜、飞片靶，其中，激光器、扩束镜、聚焦镜和多模光纤依次同中心轴线设置，激光器发射出激光，激光经扩束镜扩束后入射到聚焦镜上，激光再经聚焦镜会聚后入射多模光纤，多模光纤通过密封法兰穿设固定在真空靶室的侧壁上，多模光纤与真空靶室内的飞片靶之间依次平行设置位于同一中心轴线上的两个准直聚焦镜，入射多模光纤的激光出射后，依次入射两个准直聚焦镜，再次优化光斑质量，两个准直聚焦镜将高斯型输入激光光束转变成平顶型激光光斑，从而实现用光纤传导激光的方式驱动飞片。

其中，两个准直聚焦镜对入射光束的对准性要求较高，X-Y位移的误差不超过5％，两准直聚焦镜通过套管连接，套管与光纤通过D80连接器连接。

其中，聚焦镜焦距为5-10mm。

其中，激光器为固体YAG激光器，具体类型为镭宝公司生产的SGR-20型Nd:YAG固体脉冲激光器。

其中，扩束镜的扩速倍数为2-4倍。

其中，多模光纤的芯径为600μm，长度10m，外层套塑材料为PVC。

其中，多模光纤的前后均连接有用于传导高能激光的D80连接器，D80连接器带有蓝宝石保护连接头和不锈钢铠装软管保护层。

其中，经过准直聚焦镜后的激光束的焦斑直径在0.4mm～1mm可调节。

本发明利用长度大于10m的多模光纤传导波长1064nm、脉宽10ns、能量不低于50mJ的脉冲激光，经过光束整形后，能够实现激光束焦斑直径在0.4mm～1mm可调节；输出的激光束能量的空间分布均匀性优于10％；通过任意设定入射激光方向，可实现激光经光纤传输后能入射至飞片靶。

附图说明

图1为本发明的光纤传导的激光驱动飞片试验装置示意图。

其中，1为激光器；2为扩束镜、3为聚焦镜；4为多模光纤；5为真空靶室；6为准直聚焦镜；7为飞片靶。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的光纤传导的激光驱动飞片试验装置进行进一步说明，该说明仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的光纤传导的激光驱动飞片试验装置包括激光器1、扩束镜2、聚焦镜3、多模光纤4、真空靶室5、准直聚焦镜6、飞片靶7，其中，激光器1为固体YAG激光器，扩束镜2购自北京卓立汉光公司，扩束倍数为2-4倍，扩束倍速没有特别的限制，只要保证进入聚焦镜3即可；

激光器1、扩束镜2、聚焦镜3和多模光纤4依次同中心轴线设置，激光器1发射出激光，激光经扩束镜2扩束后入射到聚焦镜3上，激光再经聚焦镜3会聚后入射多模光纤4，多模光纤4通过密封法兰穿设固定在真空靶室的侧壁上，多模光纤4与真空靶室内的飞片靶7之间依次平行设置位于同一中心轴线上的两个准直聚焦镜6，入射多模光纤4的激光出射后，依次入射两个准直聚焦镜6，再次优化光斑质量，两个准直聚焦镜6将高斯型输入激光光束转变成平顶型激光光斑，从而实现用光纤传导激光的方式驱动飞片。

在一具体实施方式中，激光器1的输出能量最高可达2J，脉宽10ns；扩束镜2为两倍扩束，扩束后的激光更容易被聚焦；聚焦镜3的焦距为30mm；多模光纤4芯径为600μm，长度10m，外层套塑材料为PVC(聚氯乙烯)，光纤前后均连接用于传导高能激光的D80连接器，D80连接器带有蓝宝石保护连接头和不锈钢铠装软管保护层，其中蓝宝石可以承受较高的散热温度，适宜大芯径高能量激光的传输。

在另一具体的实施方式中，多模光纤穿过Y27连接器并采取密封措施可将其引入真空靶室5，脉冲激光在光纤内经多次内反射后，光斑能量分布趋于均匀；

激光从光纤出射后，进入准直聚焦镜6再次优化光斑质量，聚焦镜焦距为5/10mm，在特定的工作距离(非焦距)下，准直聚焦镜可以将高斯型输使入射光束转变成平顶型光斑。准直聚焦镜对入射光束的对准性要求较高，X-Y位移的误差不超过5％，通过D80连接器的固定可以解决这个问题。最终实现激光束焦斑直径在0.4mm～1mm可调节，输出激光束能量的空间分布均匀性优于10％，激光入射至飞片靶7，驱动飞片，模拟微小空间碎片。

本发明通过将大功率固体激光器与光纤耦合，经过光纤的接入、传导，最后经过光束整形等技术，完成高功率脉冲激光的光纤输出，为光纤传导激光驱动飞片系统的研制提供高质量激光光束，进而实现用光纤传导激光的方式驱动飞片。其关键技术为：(1)激光耦合进入光纤，通过D80连接器将耦合透镜和光纤相连；(2)传输高能量激光，利用D80连接器中的蓝宝石加强散热，提高光纤损伤阈值；(3)激光能量剖面的改善，通过激光在光纤内多次内反射均匀化能量及准直聚焦镜对激光能量的优化完成。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于光纤传导的激光驱动飞片试验装置，包括激光器、扩束镜、聚焦镜、多模光纤、真空靶室、准直聚焦镜、飞片靶，其中，激光器、扩束镜、聚焦镜和多模光纤依次同中心轴线设置，激光器发射出激光，激光经扩束镜扩束后入射到聚焦镜上，激光再经聚焦镜会聚后入射多模光纤，多模光纤通过密封法兰穿设固定在真空靶室的侧壁上，多模光纤与真空靶室内的飞片靶之间依次平行设置位于同一中心轴线上的两个准直聚焦镜，入射多模光纤的激光出射后，依次入射两个准直聚焦镜，再次优化光斑质量，两个准直聚焦镜将高斯型输入激光光束转变成平顶型激光光斑，从而实现用光纤传导激光的方式驱动飞片。

2.如权利要求1所述的试验装置，其中，两个准直聚焦镜对入射光束的对准性要求较高，X-Y位移的误差不超过5％，通过D80连接器进行固定。

3.如权利要求1所述的试验装置，其中，聚焦镜焦距为5-10mm。

4.如权利要求1-3任一项所述的试验装置，其中，激光器为固体Nd:YAG激光器。

5.如权利要求1-3任一项所述的试验装置，其中，扩束镜的扩速倍数为2-4倍。

6.如权利要求1-3任一项所述的试验装置，其中，多模光纤的芯径为600μm，长度10m，外层套塑材料为PVC。

7.如权利要求1-3任一项所述的试验装置，其中，多模光纤的前后均连接有用于传导高能激光的D80连接器，D80连接器带有蓝宝石保护连接头和不锈钢铠装软管保护层。

8.如权利要求1-3任一项所述的试验装置，其中，经过准直聚焦镜后的激光束的焦斑直径在0.4mm～1mm可调节。