基于激光火工系统的烟火泵浦激光技术

井 波，张 蕊，贺爱锋，徐奉一，王浩宇，马 玥

(陕西应用物理化学研究所 应用物理化学国家级重点实验室，陕西 西安710061)



基于激光火工系统的烟火泵浦激光技术

井 波，张 蕊，贺爱锋，徐奉一，王浩宇，马 玥

(陕西应用物理化学研究所 应用物理化学国家级重点实验室，陕西 西安710061)

为研究烟火泵浦激光输出性能，对烟火泵浦激光器中泵浦源与激光晶体棒进行匹配实验研究和烟火泵浦激光器出光实验研究，以及烟火泵浦激光器光纤耦合输出实验研究。实验结果表明：烟火泵浦激光器选用锆氧闪光灯作为泵浦源，与工作物质为Nd∶YAG激光工作物质是相匹配的，烟火泵浦激光器输出能量≥4.82 J，满足烟火泵浦激光火工系统的能量输出需要；烟火泵浦激光器光纤耦合输出能量≥2.87 J，光纤耦合装置耦合效率达到50%以上，为烟火泵浦激光器用于战斗机舱盖抛放、飞行员座椅弹射逃生等火工系统研究提供了重要的技术支持。

烟火;激光;Nd∶YAG晶体;闪光灯;光纤耦合

引言

烟火泵浦激光器是利用化学反应发光进行泵浦的一类固体激光器，由于其能质大、体积小、质量轻、非电击发等特点，具有较好的应用前景[1-3]。激光泵浦原理为激光工作物质吸收特定波长的光波，引起工作物质粒子数反转，受激辐射放大而泵浦激光。目前传统的光泵浦系统为惰性气体放电灯，都需用高压电使惰性气体电离而发光，从而泵浦出激光，而烟火泵浦激光器采用烟火药的燃烧通过工作介质来泵浦产生激光，利用烟火药燃烧能够发出各种不同的光谱，选择合适的烟火药配方能够调整辐射出燃烧光谱[4-7]。近年来，烟火泵浦激光器作为火工烟火技术领域的最新应用技术之一，已广泛受到科研人员的重视[8-9]，烟火泵浦激光器在烟火泵浦激光火工系统中为火工品提供作用能源，是烟火泵浦激光火工系统中核心的组成器件，烟火泵浦激光火工系统主要用于战斗机舱盖抛放和飞行员座椅弹射逃生等火工系统研究中[10-12]，烟火泵浦激光器的作用与否决定了烟火泵浦激光火工系统的成败，更决定了整个弹射逃生的成败。

1 烟火泵浦激光器输出性能实验

1.1 烟火泵浦激光器工作原理

烟火泵浦激光器作为固体激光器的一类，主要由手动击发机构、锆氧闪光灯、镀有反射膜的掺钕钇铝石榴石(简写为Nd∶YAG)等组成，如图1所示。 其作用原理是：拉动手动击发机构，使其产生高电压，高电压点燃锆氧闪光灯使其发光，通过镀有反射膜的Nd∶YAG晶体泵浦，产生激光振荡输出。在烟火泵浦激光器组成中激励源为锆氧闪光灯，激光工作物质为Nd∶YAG晶体，为了节省激光器系统体积及提高激光器的可靠性，烟火泵浦激光器的光学谐振腔设计为在Nd∶YAG晶体两端镀膜的P-P谐振腔，前端镀制全反膜，后端镀制10%～30%的半反膜作为激光输出端。

图1 烟火泵浦激光器结构图Fig.1 Structure diagram of pyrotechnic-pumped laser

1.2 烟火泵浦源与工作物质匹配实验研究

烟火泵浦激光器中泵浦源选取锆氧闪光灯，锆氧闪光灯采取高压放电击发火花药头的发火方式，其发光机理和常规的金属燃烧发光机理一样。根据金属锆与氧气的化学反应方程式Zr+O2→ZrO2，金属锆与氧气在锆氧闪光灯的反应比例为1∶1，因此在设计锆氧闪光灯时需充入一定量的氧气，以满足金属锆燃烧所需的氧气量。本文中金属锆为锆丝，锆丝直径在0.035 mm～0.045 mm之间，锆氧闪光灯灯管中氧气量的压强在14 atm～15 atm之间。采用海洋光学HR4000型光谱仪对锆氧闪光灯进行了光谱输出性能试验，测出锆氧闪光灯的发光光谱如图2所示。

图2 锆氧闪光灯的发光光谱Fig.2 Luminescence spectra of ZrO2 flash lamp

为提高烟火泵浦激光器的泵浦效率，需要使泵浦光光谱与工作物质吸收光光谱相匹配。烟火泵浦激光器的工作物质Nd∶YAG基质很硬、光学质量好、热导率高，其立方结构也有利于窄的荧光谱线，从而产生高增益、低阈值的激光作用。从Nd∶YAG的吸收光谱[13](300 K)可看出，Nd∶YAG对激光有贡献的主要吸收带有5条，中心波长为0.53 μm、0.58 μm、0.75 μm、0.81 μm、0.87 μm，其中0.58 μm吸收带的吸收最强。从图2可看出，锆氧闪光灯在波长分别500 nm～700 nm处有较强的光谱输出，这与Nd∶YAG晶体在0.58 μm这个最强吸收带相吻合，因此将锆氧闪光灯作为烟火泵浦激光器的泵浦源是合适的，可作为烟火泵浦激光器的泵浦源。

1.3 烟火泵浦激光器出光实验

烟火泵浦激光器出光实验装置如图3所示, 利用图3所示实验装置进行了多次激光输出试验。激光输出能量采用LPE-1B型能量/功率计测量，为避免杂散光的影响，在能量计探头前方加入了中心波长为1 064 nm透过率为85%的滤光片，保证了测量的准确性。烟火泵浦激光器输出实验结果如表1所示，激光输出波形采用Agilent DSO5012A型示波器进行测试，表1中3#烟火泵浦激光器输出实验测试的输出波形如图4所示，所得的实验结果较理想。由于Nd∶YAG晶体棒反复利用，使得Nd∶YAG晶体棒有一定的损伤，导致输出能量随着使用次数的增加有一定的减少，但影响不大，输出能量能够满足烟火泵浦激光火工系统的需要。实验结果表明，烟火泵浦激光器每次的输出能量与激光脉冲宽度都不同，烟火泵浦激光器的脉宽和输出能量主要由锆氧闪光灯的长度及内部填装锆丝质量来决定，在锆氧闪光灯的长度一定的情况下，锆氧闪光灯自身的燃烧过程也不完全可控，另外，锆氧闪光灯内部锆丝装填形状的一致性也决定锆氧闪光灯中锆丝的燃烧时间，从而导致了每次实验的输出能量与激光脉冲宽度的不同，但烟火泵浦激光器的脉宽在可控范围之内，输出能量也能满足实际使用要求。

图3 烟火泵浦激光器出光实验装置Fig.3 Experimental setup of output of pyrotechnic-pumped laser

Table 1 Experimental results of output of pyrotechnic-pumped laser

激光器编号输出激光能量/J激光脉冲宽度/ms备注1#5．5729．8/2#5．2530．1晶体棒重复利用3#4．8226．1晶体棒重复利用

图4 烟火泵浦激光器输出波形Fig.4 Waveform of output of pyrotechnic-pumped laser

2 烟火泵浦激光器光纤耦合输出实验

2.1 烟火泵浦激光器光纤耦合方式

烟火泵浦激光器输出能量达到焦耳量级，脉宽在10 ns量级，对于烟火泵浦激光器光纤耦合方式来说，可用的耦合方式主要有[14]：用透镜耦合激光束进入光纤;用透镜加光纤输入端烧成球面作为两级耦合进入光纤;用自聚焦透镜耦合激光束进入光纤。比较分析以上几种耦合方式，透镜耦合激光束进入光纤的方式简单易于设计，且能够进行大功率激光的耦合输出。烟火泵浦激光器光纤耦合所用的光纤是传能用大芯径多模光纤，光纤端面处激光光斑直径不大于光纤纤芯直径2/3是较为合适的。本文选取双胶合透镜耦合激光束进入光纤的方式，并通过ZEMAX光学系统设计软件进行物理光学的光纤耦合设计，采用折射率大的光学玻璃ZF6作为透镜材料，以达到缩短焦距的目的，光纤耦合示意图如图5所示。

图5 光纤耦合示意图Fig.5 Schematic diagram of fiber coupling

2.2 烟火泵浦激光器光纤耦合输出实验结果

由于烟火泵浦激光器的单次输出特点，决定了烟火泵浦激光器光纤耦合输出调试方式采用氙灯泵浦激光模拟烟火泵浦激光器进行光纤耦合装置耦合调试，设计装置如图6所示。在光纤耦合装置调试完成后，通过3次烟火泵浦激光器光纤耦合输出实验，结果如表2所示。实验结果表明：烟火泵浦激光器光纤耦合能量≥2.87 J，和表1烟火泵浦激光器出光实验结果对比可知，光纤耦合装置耦合效率达到50%以上，满足实际使用要求。

图6 光纤耦合调试装置图Fig.6 Debugging graph of fiber coupling device

Table 2 Experimental results of fiber coupling output of pyrotechnic-pumped laser

激光器编号耦合光纤直径/μm输出端激光能量/J激光脉冲宽度/ms4#2003．0826．95#2002．8728．56#2002．9627．1

3 结束语

烟火泵浦激光器利用泵浦源锆氧闪光灯在波长500 nm～700 nm处有较强的光谱输出，这和Nd∶YAG晶体在0.58 μm处最强吸收带相吻合，说明烟火泵浦激光器选用锆氧闪光灯作为泵浦源，与工作物质为Nd∶YAG激光工作物质是相匹配的，锆氧闪光灯可作为烟火泵浦激光器的泵浦源。烟火泵浦激光器输出实验研究表明，烟火泵浦激光器输出能量≥4.82 J，满足烟火泵浦激光火工系统的能量输出需要，为进一步开展工程应用，进行了烟火泵浦激光器光纤耦合输出实验研究，得到了耦合效率较为理想的光纤耦合器件，为烟火泵浦激光器用于战斗机舱盖抛放、飞行员座椅弹射逃生等火工系统研究提供了重要的技术支持。

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Technology of pyrotechnic-pumped laser based on laser ignition system

Jing Bo，Zhang Rui，He Aifeng，Xu Fengyi， Wang Haoyu，Ma Yue

(National Key Laboratory of Applied Physics and Chemistry, Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi’an 710061, China)

In order to study the output performance of pyrotechnic-pumped laser, the fireworks pump source and laser crystal rod matching experiments were researched in the pyrotechnic-pumped laser, and the fiber coupling output experiment of pyrotechnic-pumped laser was completed. The experimental results show that the output of pyrotechnic-pumped laser reaches more than 4.82 J,which satisfies the need for energy output of pyrotechnic-pumped laser initiation system;the fiber coupling output of pyrotechnic-pumped laser reaches more than 2.87J,and the efficiency of fiber coupling device reaches more than 50%, it can provide important technical support for the initiation systems used for the ejection of fighter hatch and pilot seat.

pyrotechnics; laser; crystal of Nd∶YAG; flashlamp;fiber coupling

1002-2082(2015)06-0955-04

2015-04-28；

2015-09-15

总装“十二五”预研项目(51305090103);总装重点实验室基金项目(9140C370110140C3701)

井波(1981-)，男，江苏连云港人，工程师，主要从事激光火工品技术研究。E-mail：37057150@qq.com

TN248

A

10.5768/JAO201536.0605001