CN113357967A - 一种毫秒长波-纳秒短波双脉冲激光点火系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种毫秒长波‑纳秒短波双脉冲激光点火系统，包括双脉冲激光光纤耦合模块、激光控制模块及膛外激光点火装置；其中，双脉冲激光光纤耦合模块包括毫秒长波激光器、纳秒短波激光器、二向色镜、平凸透镜以及高功率传输光纤；激光控制模块包括第一分光镜、第二分光镜、脉冲激光能量计、连续激光功率计以及可编程脉冲延迟发生器；从毫秒长波激光器发出的毫秒长波脉冲激光直接透过二向色镜，从纳秒短波激光器发出的纳秒短波脉冲激光经二向色镜反射，两者都通过高功率传输光纤进入到膛外激光点火装置。膛外激光点火装置固定于炮膛后部，两束脉冲激光依次输入燃烧室作用于发射药颗粒。本发明可以实现对大口径火炮膛内发射药的直接快速点火。

Description

一种毫秒长波-纳秒短波双脉冲激光点火系统
技术领域
本发明属于激光点火技术领域，涉及一种用于发射药直接点火的一种毫秒长波-纳秒短波双脉冲激光点火系统。
背景技术
与常规的点火方式相比，激光点火可以去除引信，稳定性高，并且具有点火能量输入的时间、空间和强度方便可控等优势。含能材料的常规点火方式对近年来战场环境中日益增多的电磁因素较敏感，例如电磁脉冲、杂散电流、静电等。点火装置中的桥丝和引脚中易产生偶发电流，引起意外点火，同时也会在制造和贮存过程产生安全隐患。因此，激光点火技术作为一种更安全、更可靠的点火方式，对于现代武器系统的发展有重要意义。激光点火技术应用于火炮点火的研究早期，激光代替点火装置对起爆药进行诱导起爆，从而点燃装填于起爆药后部的发射药。但基于对安全性和可靠性更高的要求，研究的最终目标在于用激光替代点火装置、起爆药而对发射药进行直接点火。
根据激光与含能材料作用机理的不同，激光点火主要分为：激光热点火、激光诱导等离子体点火、激光诱导共振击穿点火、激光诱导光化学反应点火四种方式。其中，第一种方式主要基于长波激光，后两种方式主要基于短波激光。目前激光点火技术的研究应用主要为激光热点火和激光诱导等离子体点火两方面，又可分为连续激光点火和脉冲激光点火。
在激光热点火方面，连续激光或长脉冲激光(微秒或更长的脉冲持续时间)长时间作用于发射药表面，以确保足够的热能传递到固体材料，激光加热引起材料分解，放热反应导致发射药燃烧自蔓延。由于这种点火方式以加热作用为能量的主要输入方式，所以选用波长较长的激光可以显著提高热效应。限制连续激光点火的最重要因素是激光的功率密度，但如果激光束非常紧密地聚焦于一个狭窄的束腰上，那对于材料的能量输入就不能与能量在材料中的扩散相竞争，这就使得点火延迟时间变长或燃烧不能持续。所以，在炮膛模拟点火中，要对各种发射药成功点火，必须保证激光功率密度足够大且光斑大小合适。但保证激光功率密度较高且光斑大小合适，就意味着损耗更大的总能量。所以，需要探索和优化使激光点火的能量利用更充分高效。
激光诱导等离子体点火主要有两种方式，第一种方式是高能脉冲激光在焦点附近直接击穿气体形成等离子体，从而对可燃气体进行点火；第二种方式是高能脉冲在极短时间作用于材料表面，造成表面物质迅速汽化或脱落，在材料表面附近形成等离子体，等离子体对材料进行烧蚀，从而进行点火。其中，第一种方式主要已应用于发动机气缸中。第二种方式的研究主要在固体发射药的点火方面，但研究表明激光诱导等离子体直接用于固体发射药的点火效果并不理想。纳秒激光脉冲产生等离子体，但等离子体消散后大块固体并没有实现持续燃烧。主要原因在于几个方面：能量输入到固体的速率大大超过了热扩散到大块样品的速率，导致表面局部烧蚀和喷射，无法实现持续燃烧；气相形成的等离子体由于寿命较短，没有形成足够的热反馈效应；等离子体对于激光有一定的屏蔽作用，使得实际到达发射药表面的激光能量减小。将激光脉冲增大至微秒或毫秒级，避免了等离子体的形成，在足够的总能量下成功实现了发射药的点火，但热量传递和随后的火焰在整个装药的蔓延很缓慢。所以，需要在保证点火成功的情况下，使激光激发时刻与膛内压力骤增时刻尽可能接近。
激光点火技术的一个重点是激光的传输问题。最简单直接的方法是将激光器安装于炮膛的后部，搭配若干聚焦或准直透镜，对激光进行直接传输。但由于弹药发射后火炮后膛会有较大的后坐力，容易造成激光器损坏以及光路的偏移，不利于点火的重复性，降低了设备可靠性。所以，需要寻找更可靠的激光传输方式。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种毫秒长波-纳秒短波双脉冲激光点火系统，该系统利用光纤对激光进行传输，利用毫秒长波脉冲热烧蚀发射药产生易燃气体，利用纳秒短波脉冲激光诱导发射药产生等离子体进行固相、气相点火和反应催化，主要用于大口径火炮炮膛内发射药的直接点火。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种毫秒长波-纳秒短波双脉冲激光点火系统，包括：
毫秒长波激光器，所述毫秒长波激光器发出的毫秒长波脉冲激光经二向色镜透射后，由高功率传输光纤进入到膛外激光点火装置；
纳秒短波激光器，所述纳秒短波激光器发出的纳秒短波脉冲激光经二向色镜反射后，由高功率传输光纤进入到膛外激光点火装置。
本发明进一步的改进在于：
所述膛外激光点火装置包括光纤输入端、点火装置后部、透镜套筒、点火装置前部以及缓震橡胶圈；透镜套筒内集成准直透镜和聚焦透镜；点火装置后部及点火装置前部均通过螺纹与透镜套筒连接，能够通过螺纹结构微调距离；缓震橡胶圈嵌于点火装置前部，用于对点火后坐力起缓冲作用。
所述膛外激光点火装置安装于发射药燃烧室后部，其轴线与后膛激光输入窗口轴线重合；通过点火装置前部螺纹结构微调聚焦透镜与后膛激光输入窗口的距离以获得设定的激光聚焦深度；通过可编程脉冲延迟发生器控制毫秒长波激光器和纳秒短波激光器按设定延迟时间依次作用进行激光点火。
所述准直透镜的直径为18mm，焦距为30mm；聚焦透镜的直径为18mm，焦距为50mm。
所述毫秒长波激光器、第一分光镜和二向色镜位于同一光路，且毫秒长波激光器激光光轴中心、第一分光镜中心和二向色镜中心位于同一直线上，且第一分光镜和二向色镜与毫秒长波激光器的输出激光光轴成45°夹角。
所述毫秒长波激光器输出激光部分透过第一分光镜，部分被分光到连续激光功率计，根据第一分光镜的分光系数监测毫秒脉冲激光的功率及脉宽。
所述纳秒短波激光器、第二分光镜和二向色镜位于同一光路，且纳秒短波激光器激光光轴中心、第二分光镜中心和二向色镜中心位于同一直线上，且第二分光镜与纳秒短波激光器的输出激光光轴成45°夹角。
所述纳秒短波激光器输出激光部分透过第二分光镜，部分被分光到脉冲激光能量计，根据第二分光镜的分光系数监测纳秒脉冲激光的总能量。
所述二向色镜为长波通二向色镜，直径为50.8mm，截止波长为650nm；二向色镜的透射方向光路上设置平凸透镜，高功率传输光纤的光纤输入端设置在平凸透镜的焦点后方3mm处。
所述高功率传输光纤为二氧化硅包层的多模光纤，长度为5m，光纤芯径为800μm，数值孔径为0.39，对于脉冲激光和连续/毫秒激光最高传输功率分别为16MW和3.2kW；光纤的两端使用SMA905不锈钢光纤连接器连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明利用长波的毫秒级脉冲激光对发射药进行作用。长波段激光具有显著的热效应，这使长波激光对发射药达到良好的烧蚀效果；在预先设置好的较短毫秒级脉冲内，发射药堆受热熔化、蒸发、分解，形成更为敏感的表面以及易燃易爆的中间产物气体；预设的脉宽和功率规定了激光能量，避免了激光持续作用造成的能量损失。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为用于发射药直接点火的毫秒长波-纳秒短波双脉冲激光点火系统总体结构图；
图2为膛外激光点火装置结构示意图；
图3为膛外激光点火装置内部结构示意图；
图4为毫秒长波-纳秒短波双脉冲激光点火过程示意图。
图中：1-毫秒长波激光器，2-第一分光镜，3-二向色镜，4-平凸透镜，5-高功率传输光纤，6-膛外激光点火装置，7-后膛激光输入窗口，8-聚焦透镜，9-准直透镜，10-脉冲激光能量计，11-纳秒短波激光器，12-第二分光镜，13-连续激光功率计，14-可编程脉冲延迟发生器，15-点火装置后部，16-透镜套筒，17-点火装置前部，18-缓震橡胶圈，19-光纤输入端，20-发射药燃烧室，21-发射药颗粒，22-毫秒长波脉冲激光，23-易燃气体，24-激光诱导等离子体，25-燃烧气体，26-纳秒短波脉冲激光。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明实施例公开了一种用于发射药直接点火的毫秒长波-纳秒短波双脉冲激光点火系统，包括双脉冲激光光纤耦合模块和激光控制模块；其中，双脉冲激光光纤耦合模块包括毫秒长波激光器1、纳秒短波激光器11、二向色镜3、平凸透镜4以及高功率传输光纤5；激光控制模块包括第一分光镜2、第二分光镜12、脉冲激光能量计10、连续激光功率计13以及可编程脉冲延迟发生器14；从毫秒长波激光器1发出的毫秒长波脉冲激光直接透过二向色镜3，从纳秒短波激光器11发出的纳秒短波脉冲激光经二向色镜3反射，两者都通过高功率传输光纤5进入到膛外激光点火装置6。
其中，毫秒长波激光器1、第一分光镜2、二向色镜3位于同一光路，且毫秒长波激光器1激光光轴中心、第一分光镜2中心、二向色镜3中心位于同一直线上，且第一分光镜2、二向色镜3与毫秒长波激光器1的输出激光光轴成45°夹角；纳秒短波激光器11、第二分光镜12、二向色镜3位于同一光路，且纳秒短波激光器11激光光轴中心、第二分光镜12中心、二向色镜3中心位于同一直线上，且第二分光镜12与纳秒短波激光器11的输出激光光轴成45°夹角。
毫秒长波激光器1输出激光大部分透过第一分光镜2，小部分被分光到连续激光功率计13，根据第一分光镜2的分光系数可监测毫秒脉冲激光的功率及脉宽；纳秒短波激光器11输出激光大部分透过第二分光镜12，小部分被分光到脉冲激光能量计10，根据第二分光镜12的分光系数可监测纳秒脉冲激光的总能量。
二向色镜3为长波通二向色镜，直径为50.8mm，截止波长为650nm。对于685-1600nm波长的光，二向色镜3的通光率可以达到90％以上；对于波长400-633nm波长的光二向色镜3的反射率可以达到95％以上。
毫秒长波激光器1输出的激光直接透过二向色镜3，纳秒短波激光器11输出的激光经二向色镜3反射；两束激光都经过平凸透镜4聚焦进入高功率传输光纤5中进行传输。高功率传输光纤5的光纤输入端放置在平凸透镜4的焦点后面约3mm处，以避免在光纤耦合时强大的聚焦能量损坏多模光纤芯部包层的边界。
优选的，本发明所使用的高功率传输光纤5为二氧化硅包层的多模光纤。高功率传输光纤5的长度为5m，光纤芯径为800μm，数值孔径为0.39，对于脉冲激光和连续/毫秒激光最高传输功率分别为16MW和3.2kW；光纤的两端使用SMA905不锈钢光纤连接器连接，大数值孔径有利于光纤输入端光线的耦合进入，而在输出端却由于多模光纤的发散性及离轴性使输出的激光难以聚焦打靶；低数值孔径提供了较低的光束发散度和均匀的光斑尺寸，这可以有助于光束传播后聚焦光束。可根据实际需要更换不同型号、不同长度、不同直径和不同数值孔径的多模光纤。
图2和图3为膛外激光点火装置结构示意图。其中，准直透镜9和聚焦透镜8被封装于透镜套筒16中；靠近准直透镜9一端通过螺纹与点火装置后部15连接，基于螺纹结构微调光纤输入端19与准直透镜9之间距离，以保证良好的准直效果；靠近聚焦透镜8一端通过螺纹与点火装置前部17连接，基于螺纹结构微调聚焦透镜8与后膛激光输入窗口7之间距离，以保证合适的聚焦深度；缓震橡胶圈18嵌于点火装置前部17，对点火后坐力起缓冲作用。
优选的，本发明所用准直透镜9直径为18mm，焦距为30mm；所用聚焦透镜8直径为18mm，焦距为50mm。
图4为毫秒长波-纳秒短波双脉冲激光点火过程示意图。其中，点火装置前部17经缓震橡胶圈18固定于发射药燃烧室20后部，并且保证光纤输出端19中心、准直透镜9中心、聚焦透镜8中心、后膛激光输入窗口7中心在同一直线上；毫秒长波激光器1发出的毫秒长波脉冲激光22首先烧蚀发射药颗粒21，产生气态含能材料和过渡产物组成的易燃气体23；随后纳秒短波激光器11发出的纳秒短波脉冲激光26诱导发射药颗粒21表面产生激光诱导等离子体24，激光诱导等离子体24继续对发射药颗粒21进行烧蚀，并使易燃气体23快速被激发成为燃烧气体25，从而完成激光点火。
本发明所使用的毫秒长波激光器1为Nd：YAG毫秒激光器，输出激光波长为1064nm，最大功率为10W，激光光束直径约为6mm；所使用的纳秒短波激光器11为Nd：YAG纳秒激光器，输出激光波长为532nm，最大脉冲能量3J，激光脉宽10ns，激光光束直径约为5mm。
本发明在对发射药燃烧室20内发射药进行激光点火前的准备工作为：设置可编程脉冲延迟发生器14的参数，改变毫秒长波激光器1出光信号与纳秒短波激光器11出光信号之间的延时；并且分别调节毫秒激光的功率、脉宽以及纳秒激光的能量，以匹配不同的发射药颗粒21类型和装药密度；微调点火装置后部15和点火装置前部17，使准直和聚焦效果良好，以匹配不同的发射药燃烧室20壁厚度。
本发明的原理：
本发明利用短波的纳秒级脉冲激光对发射药及含能气体进行作用。短波段激光具有显著的光效应，更易以量子形式促进含能材料分子化学键断键，同时促进光化学反应过程；纳秒脉冲迅速诱导发射药产生等离子体，既可对发射药表面进行一定的热反馈，又可充当含能气体的点火源；等离子体的存在同时对发射药分解、含能气体爆燃蔓延起显著的催化作用。
本发明所使用的高功率传输光纤为二氧化硅包层的多模光纤。传输光纤的长度为5m，光纤芯径为800μm，数值孔径为0.39，对于脉冲激光和连续/毫秒激光最高传输功率分别为16MW和3.2kW；光纤的两端使用SMA905不锈钢光纤连接器连接；光纤的使用克服了激光点火应用过程中的激光传输问题；避免了激光器直接安装于炮膛后部而容易损坏的问题。
本发明由可编程脉冲延迟发生器14控制毫秒长波激光器1首先发出的毫秒长波脉冲激光22对发射药颗粒21进行烧蚀和激发，形成易损表面和易燃气体23；在一定的延迟时间后，纳秒短波激光器11发出的纳秒短波脉冲激光26迅速激发发射药颗粒21产生激光诱导等离子体24，激光诱导等离子体24作为点火源使发射药颗粒21进一步烧蚀，并引燃易燃气体23形成燃烧气体25；燃烧在气相和固相快速蔓延实现点火。本发明可以实现对发射药燃烧室20内装填的发射药颗粒21的直接快速点火。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种毫秒长波-纳秒短波双脉冲激光点火系统，其特征在于，包括：
毫秒长波激光器(1)，所述毫秒长波激光器(1)发出的毫秒长波脉冲激光经二向色镜(3)透射后，由高功率传输光纤(5)进入到膛外激光点火装置(6)；
纳秒短波激光器(11)，所述纳秒短波激光器(11)发出的纳秒短波脉冲激光经二向色镜(3)反射后，由高功率传输光纤(5)进入到膛外激光点火装置(6)。
2.根据权利要求1所述的毫秒长波-纳秒短波双脉冲激光点火系统，其特征在于，所述膛外激光点火装置(6)包括光纤输入端(19)、点火装置后部(15)、透镜套筒(16)、点火装置前部(17)以及缓震橡胶圈(18)；透镜套筒(16)内集成准直透镜(9)和聚焦透镜(8)；点火装置后部(15)及点火装置前部(17)均通过螺纹与透镜套筒(16)连接，能够通过螺纹结构微调距离；缓震橡胶圈(18)嵌于点火装置前部(17)，用于对点火后坐力起缓冲作用。
3.根据权利要求1或2所述的毫秒长波-纳秒短波双脉冲激光点火系统，其特征在于，所述膛外激光点火装置(6)安装于发射药燃烧室(20)后部，其轴线与后膛激光输入窗口(7)轴线重合；通过点火装置前部(17)螺纹结构微调聚焦透镜(8)与后膛激光输入窗口(7)的距离以获得设定的激光聚焦深度；通过可编程脉冲延迟发生器(14)控制毫秒长波激光器(1)和纳秒短波激光器(11)按设定延迟时间依次作用进行激光点火。
4.根据权利要求3所述的毫秒长波-纳秒短波双脉冲激光点火系统，其特征在于，所述准直透镜(9)的直径为18mm，焦距为30mm；聚焦透镜(8)的直径为18mm，焦距为50mm。
5.根据权利要求1所述的毫秒长波-纳秒短波双脉冲激光点火系统，其特征在于，所述毫秒长波激光器(1)、第一分光镜(2)和二向色镜(3)位于同一光路，且毫秒长波激光器(1)激光光轴中心、第一分光镜(2)中心和二向色镜(3)中心位于同一直线上，且第一分光镜(2)和二向色镜(3)与毫秒长波激光器(1)的输出激光光轴成45°夹角。
6.根据权利要求5所述的毫秒长波-纳秒短波双脉冲激光点火系统，其特征在于，所述毫秒长波激光器(1)输出激光部分透过第一分光镜(2)，部分被分光到连续激光功率计(13)，根据第一分光镜(2)的分光系数监测毫秒脉冲激光的功率及脉宽。
7.根据权利要求1所述的毫秒长波-纳秒短波双脉冲激光点火系统，其特征在于，所述纳秒短波激光器(11)、第二分光镜(12)和二向色镜(3)位于同一光路，且纳秒短波激光器(11)激光光轴中心、第二分光镜(12)中心和二向色镜(3)中心位于同一直线上，且第二分光镜(12)与纳秒短波激光器(11)的输出激光光轴成45°夹角。
8.根据权利要求7所述的毫秒长波-纳秒短波双脉冲激光点火系统，其特征在于，所述纳秒短波激光器(11)输出激光部分透过第二分光镜(12)，部分被分光到脉冲激光能量计(10)，根据第二分光镜(12)的分光系数监测纳秒脉冲激光的总能量。
9.根据权利要求1或5或7所述的毫秒长波-纳秒短波双脉冲激光点火系统，其特征在于，所述二向色镜(3)为长波通二向色镜，直径为50.8mm，截止波长为650nm；二向色镜(3)的透射方向光路上设置平凸透镜(4)，高功率传输光纤(5)的光纤输入端设置在平凸透镜(4)的焦点后方3mm处。
10.根据权利要求9所述的毫秒长波-纳秒短波双脉冲激光点火系统，其特征在于，所述高功率传输光纤(5)为二氧化硅包层的多模光纤，长度为5m，光纤芯径为800μm，数值孔径为0.39，对于脉冲激光和连续/毫秒激光最高传输功率分别为16MW和3.2kW；光纤的两端使用SMA905不锈钢光纤连接器连接。
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