恒压驱动对激光阵列起爆系统性能的影响

任 鹏，张 蕊，贺爱锋，王浩宇，徐奉一

（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）



恒压驱动对激光阵列起爆系统性能的影响

任 鹏，张 蕊，贺爱锋，王浩宇，徐奉一

（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）

摘 要：为解决传统的多路激光起爆系统体积大、光能量损失的问题，设计了一种基于恒压驱动模式的激光阵列起爆电路。通过激光阵列同步实验、起爆性能实验验证了恒压驱动模式对整个起爆系统的影响，并对恒压驱动提出了改进措施。结果表明恒压驱动模式能够实现多路选择、时序逻辑起爆，采用均流法可减小多路激光同步输出的差异性。

关键词：激光阵列；起爆系统；恒压；均流

传统的多路激光起爆系统主要由激光器、控制器、光纤分束器、光开关等器件组成[1-2]。由于存在外部光器件和光分束现象，使得整个起爆系统的体积大，存在光能量损失大等缺点，因此，这种起爆系统的应用有一定的局限性。

本文基于国内外多路激光起爆技术的分析[3-5]和大功率激光二极管电源技术的研究[6]，设计了基于恒压驱动模式的激光阵列起爆系统。在激光二极管阵列两端电压保持恒定的情况下，采用单片机控制激光二极管阵列输出激光能量，这种恒压驱动模式省去了光纤分束器，不需要光开关选择控制，大大减小了激光二极管的总功率和激光传输能量损失，缩小了起爆系统的体积 。

1　基于恒压源的激光阵列起爆系统

图1为基于恒压源的激光阵列起爆系统框图。整个系统由电源模块、逻辑控制模块、恒压驱动模块、激光阵列模块、光纤、火工品6个主要模块构成。电源模块为激光起爆系统提供标准电压和电流。

图1　恒压驱动激光阵列起爆系统Fig.1 Structure diagram of constant-voltage laser array initiation system

起爆系统采用LDO降压电源为逻辑控制模块提供3.3V的工作电压，DC-DC降压电源为恒压驱动模块和激光二极管阵列提供5V的工作电压，使单片机系统控制恒压驱动电路按照程序指令工作，激光二极管阵列在接受到逻辑控制指令后，发出波长为980 nm、工作脉宽为10ms的激光脉冲，通过光纤传输，作用于火工品。

2　实验

2.1恒压驱动激光阵列模式驱动电路设计

恒压驱动阵列主要由控制系统、恒压源系统、光电耦合器、MOS管主要部分构成。通过恒压源给激光二极管的两端提供恒定的电压，由控制系统的程序指令控制光电耦合器、MOS管给出一定的逻辑顺序，从而实现整个控制模块的恒电压驱动。图2是恒压驱动电路设计原理图。

图2　恒压驱动电路原理图Fig.2 Schematic diagram of constant-voltage circuit

2.2实验仪器

2.2.1实验仪器

（1）INSTEK的PSP2010直流电源，用来为恒压驱动电路提供稳定的电能。电压范围：0～20V，输出电流范围：0～10A。（2）NEWPORT公司的OPHIR激光能量计，用来测量激光能量输出大小。波长范围：0～2.5μ m；测量范围：1×10-6～10J。（3）TEK公司的DPO4102B示波器，用来记录激光能量和起爆波形。采样率为5Gs/s，带宽为1GHz。（4）光电转换器，使用光电转换设备将采集到的光信号转换成电信号，对激光和起爆信号进行详细记录。

2.2.2实验药剂

激光起爆器选用掺C的BNCP作为始发药剂、造粒的BNCP作为输出药装配而成，换能窗口镀制了980nm波长的增透膜，用于提高激光能量的利用率。

2.2.3实验方法

半导体激光起爆机理是激光直接作用在火工品上发生热效应起爆的，所以激光能量的大小将主要决定起爆时间长短。本实验进行2路、3路起爆实验，4路同步出光程控实验及均流实验。

2路起爆实验采用第1、2路同步，间隔50ms，第3、4路同步，第1、3路作触发，2、4路起爆；3路起爆实验采用第1路输出激光，间隔50ms，2、3、4路同步输出，第3路触发，第2、4路起爆；4路同步试验及均流试验为对1、2、3、4进行同步输出激光，并对恒压模式的激光阵列出光不均匀现象进行均流改进。

根据示波器激光输出波形的逻辑性，分析恒压驱动模式激光阵列起爆系统的程控性能；通过起爆波形的时间长短和电压大小，分析恒压驱动对激光阵列起爆性能的影响。

3　实验结果与分析

图3是2路同步实验波形，1、2、3、4路激光起爆脉宽均为10ms。

图3　2路同步激光波形图Fig.3 Oscillogram of two channels synchronous laser

其中1、2路同步，3、4路同步，1、2路与3、4路为50ms间隔的逻辑控制。1、3路为触发，2、4路为起爆波形。通过对实验数据进行分析，本次实验可以实现间隔为50ms的时序程控功能。2、4路输出激光能量大小分别为32.0mJ，32.3mJ，其中第2路起爆器作用时间的测量结果为31.40μs，第4路起爆器作用时间为20.2μs，两者相差11.2μs。因为两路起爆的能量相差只有0.3 mJ，能量基本一致，因此可以确定作用时间差异为起爆器本身造成的差异。图4为3路同步实验波形，第1路先触发，延时50ms，2、3、4路同步输出激光能量，其中，第3路用来同步触发，第2、4路终端接起爆器。通过分析，本次实验可以实现间隔为50ms的时序、同步程控功能。第2、3、4路同步激光输出能量分别为： 23.2 mJ，29.2 mJ，23.6 mJ，第2路火工品作用时间为22.4μs，第4路火工品作用时间为32.2μs，逻辑性和同步性较好。

图4　3路激光同步试验Fig.4 Oscillogram of three channels synchronous laser

以上实验分析表明，恒压驱动激光阵列起爆系统可以实现同步、选择、时序逻辑控制和起爆，但是从作用时间分析可以得出：恒压驱动模式下，同步作用时，每一路的激光能量输出不均匀，输出能量的最大不均匀度η为32.5％，这样会导致火工品作用时间长短不一，同步起爆效果不佳。

4　恒压模式改进方法

由于起爆电路中的各个电子元器件存在误差（5％～20％），激光二极管在工艺制造时内阻也不可能完全相等，再者二极管本身的特性使得激光二极管容易受到温度的影响，阻抗会随着温度的变化而漂移[7]，导致半导体激光二极管在输出光时也会存在能量不等的现象，这些缺陷对于激光火工品系统来说是致命的。因此，通过测量同步输出激光时每一通道的能量值推导出对应通道的阻抗大小，依据电路的阻抗大小添加相应的均流电阻，使同步输出时每一路的激光能量在一个固定值的附近，以解决恒压驱动模式下的电流不均衡的问题。

表1为改进前4路激光二极管阵列同时工作时每一路输出的激光能量测量结果。由表1可见，恒压模式能够驱动激光二极管阵列每一路产生13.9～26.5mJ范围内的能量，并且ELD2＞ELD1＞ELD3＞ELD4＞13mJ，4路激光输出能量均可起爆激光火工品。

表1表明恒电压模式下，4路激光同步输出能量存在差异性。使用4个固定型号的激光二极管对应安装在4个不同的通道，用来测试整个电路的阻抗输出的激光能量。激光二极管输出激光能量越大，则表明此电路阻抗越小。根据式（1）计算可以得出：Rp4< Rp3< Rp1< Rp2。其中Rpx表示第px通道的阻抗。

式（1）中：E为激光输出能量值；V为激光二极管两端端电压；R为激光二极管内阻；t为激光脉宽。在电压U和脉宽t恒定时，R越小，输出光能量越大，所需要的均流电阻越大。

改进措施：在激光二极管的光电装换效率确定的情况下，只需测得激光阵列每一路的激光输出能量，再通过转换率计算出对应的电能，由于时间t为激光输出脉宽10ms，用万用表测量出激光二极管两端的电压，就可以求得每一路的阻抗值。本实验需要每一路的激光输出能量值尽量相同，因此，设计的均流电阻值与R成反比关系，通过比例关系即可求出每一路的均流电阻值。表2是加上均流电阻后的4路激光输出能量结果。

表1　改进前4路激光同步输出结果　（mJ）Tab.1 Result of four channels laser synchronous output before improvement

从表1和表2的数据对比，分析得出，通过均流法可以改进激光同步输出能量差异大的问题，改进效果使差异性从32.5％减小到10％，最大能量差异从6.5 mJ减小到2mJ，但是仍然存在比较大的差异性，需要进一步改进。

表2　改进后的4路激光同步输出结果　（mJ）Tab.2 Result of four channels laser synchronous output after improvement

5　结论

（1）基于恒压驱动模式的激光阵列起爆系统能够实现2路、3路、4路同步起爆，每一路输出激光能量不小于13mJ，同时也可以实现2路、3路、4路选择、时序逻辑起爆。但是恒压模式存在输出激光能量差异很大，这种现象会导致系统起爆时间差异变大。

（2）采用均流法可以很好地抑制恒压模式下由外界和自身因素引起的电流不均匀现象的影响，4路同步差异性从32.5％减小到10％，最大能量差异从6.5 mJ减小到2mJ，起爆系统的激光输出稳定性显著提高。

参考文献：

[1]James Lee Hendris.No moving parts safe & arm apparatus and method with monitoring and built-in-test for optical firing of explosive system:USP,5404820[P].1995.

[2]漆莉莉,鲁建存,刘彦义,等.激光起爆点火控制技术[J].火工品,2008(增刊):106-110.

[3]B.A.Stoitz,D.F.Waldo.Proposed system safety design and test requirements for the mcro-laser ordnance system[J].Preceding Page Blank Not Filmed,1992(N93):203-214.

[4]J.Carvvalho,D Fahey,K.Willis et al.A Multi-output light weight diode laser initiation system with built-in-test[C]//32nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Jiont Propulsion Conference.Lake Buena Vista,FL,1996.

[5]Y.Lien,G.Thoen,O.Grasvik,et al.Opto-pyrotecnics for space applications[C]//International Conference on Space Optics.Rhodes,2010.

[6]卢凯.大功率半导体激光二极管驱动电源设计[D].西安:中国科学院西安光学精密鸡机械研究所,2012.

[7]邓军.半导体激光二极管驱动模式与可靠性研究[D].吉林:吉林大学,2008.

Effect of Constant-voltage Drive on Laser Array Initiation System Performance

REN Peng,ZHANG Rui,HE Ai-feng,WANG Hao-yu,XU Feng-yi
(National Key Laboratory of Applied Physics and Chemistry,Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute,Xi’an,710061)

Abstract：In order to solve the problems of large volume and light energy loss of the traditional multi-channel laser initiation system,the laser array initiation circuit based on a constant-voltage drive mode was designed.The influence of constant -voltage drive mode on the whole initiation system was verified,by the experimental results of laser array synchronization test and detonation performance test,and the corresponding improvement measure was also put forward.The result shows that the constant-voltage drive mode can realize the multi-channel selection and sequential logic initiation,using average current method can reduce the synchronous output difference of the multi-channel laser.

Key words：Laser array；Initiation system；Constant-voltage；Equalizing current

作者简介：任鹏（1987-），男，在读硕士研究生，主要从事安全性可靠性评估技术。

收稿日期：2015-11-30

中图分类号：TJ450.2

文献标识码：A

文章编号：1003-1480（2016）01-0029-04