半导体激光点火技术研究+文献综述(2)
1.2 半导体激光点火系统的构成
半导体激光点火技术最早由美国Sandia 国家实验室的 Kunz 和 Jim Salas 在 1987 年提出的[2]。至今在国外已经发展得比较成熟。
半导体激光点火系统是将半导体激光器输出的激光通过光纤作用于含能材料以实现点火反应的结构体系。该系统一般有半导体激光器，光导纤文，激光点火器。为了提高激光点火系统的安全性和可靠性，半导体激光点火系统还应包括系统电路和保险装置[17]。
半导体激光器（Laser Diode，简称为 LD）是以直接带隙半导体为光增益介质的激光器，其核心是一个本身具有光反馈结构的 p-n 结二极管芯片，因而又称激光二极管。图 1 是普通半导体激光器芯片示意图芯片的两个解理面形成谐振腔。
其工作原理是：加上正向电压的 p-n 结，将 n 区的电子注入进 p 区；在结附近，因电子和空穴复合而产生自发辐射和受激辐射；在谐振腔内建立起稳定的光振荡，由解理面发射激光;图2，半导体激光器的发光光束在空间分布是一个椭球形，在横截面呈高斯分布[3]。
图1 普通半导体激光器芯片示意图
图2 半导体激光器的发光光束
将激光自激光器传送到起爆器的传输线采用光学纤文（简称光纤）。目前使用的光纤大多是石英光纤，主要分为阶跃光纤和梯度光纤。阶跃光纤纤蕊的折射率是常数，而梯度光纤纤蕊的折射率由光纤轴心沿径向方向向外逐渐递减，所以梯度光纤具有自聚集的特点，可以提高激光输出的功率密度，而这对激光点火十分有利。
光纤自身的损耗因素主要有：本征、不均匀、杂质、弯曲、拉伸、挤压、断裂和对接等因素。其中本征是光纤的固有损耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。
光纤内的杂质吸收和散射、光纤材料的折射率不均匀、光纤受到挤压时产生微小的弯曲、光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失等都会造成光纤的损耗[4]。
激光点火器
根据光纤与点火药的耦合方式划分，激光点火器有三种结构：光纤插入点火药内、光纤与点火药接触、光纤与点火药之间通过光学窗口耦合。如图1.2所示。
图1.2 点火器中光纤与点火药耦合方式
（a）为插入式耦合；（b）接触式耦合；（c）间接式耦合
1—壳体；2—点火药；3—光纤；4—透窗
前两种方式的激光能量利用率较耦合式高，但难以实现点火器的密封。窗口耦合式较易实现密封，并且通过透窗将耦合器和点火药隔开。这种结果的好处是点火器与激光器和光纤系统分离，有利于点火器的制造、检测和验收，还能满足武器系统对火工品的密封要求。
窗口材料的选择基于材料的光折射率、材料的导热率、点火器所需的强度以及窗口材料与壳体间的热膨胀系数。
为研究激光换能机理，国内外学者对激光功率、脉宽、光斑尺寸、药剂配方、药剂粒度、装药密度以及是否参杂添加剂等因素对激光点火性能的影响进行了大量的实验和理论研究。目前，热点学说是关于激光点火机理认识的一个普遍的解释[5]。
安保机构在原理上没有大的变化，许多文献都认为激光点火系统的保险装置与电起爆器的保险装置应该十分类似[6,7]。但是由于系统采用了激光器等大量光学器件，还可相应增加光学安保机构，能进一步提高系统的安全性。
1993年美国McDonnell Douglas公司电子系统公司B.A. Stoltz等人采用光学安保机构[8]，当控制电路准备点火时，必须向 DC-DC 转换器送一信号，使压电晶体的偏振态变化，这样就能防止对系统误作用而意外点火。1993 年美国 Quantic工业公司 Kenneth E. Willis38]研究半导体激光点火系统的电子安保机构，用一个RFAC（电磁屏蔽耦合器或法拉第屏蔽盒）保护驱动电路、激光二极管和含能材料不受到电磁 RF 和静电 ESD 的威胁。同年美国 Hi-Shear 技术公司 J. Callaghan 等人对设计的激光点火系统的保险装置与电起爆装置非常类似[9]。1996 年美国Hughes导弹系统公司和Quantic工业公司联合开发了用于运载火箭的半导体激光点火起爆系统，同样采用 RFAC 对激光器及其驱动电路保护[10]。2001 年 ThiokolPropulsion 公司 D. 德弗里斯 等人研究了用于固体推进剂火箭发动机点火的电子安保机构[11]。