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半导体激光点火技术的研究与应用

钟海文  
【摘要】:随着激光技术的发展和武器系统中火工品安全性要求的提高,激光火工技术早已作为一种先进的点火技术而受到业界的广泛关注。本文基于半导体激光器,设计了一种单光纤光路结构的激光点火系统。首先分析了激光点火系统的基本需求并确定了系统的总体技术方案,然后对系统中的主要单元,包括控制模块、点火激光器驱动模块、光路检测模块、点火时间测量模块以及同步输出模块等单元进行了理论分析和硬件电路设计,并根据点火系统的工作流程,对系统软件进行了设计和编写,最后对系统中各个模块的性能和整机输出进行了实验测试。具体内容如下:(1)对激光点火系统的组成结构进行了分析与研究,确定了系统的整体设计方案。通过分析比较单光纤和双光纤光路结构的优缺点,确定了系统的光路结构。根据各波段半导体激光器的特点以及点火药剂的吸收光谱,从光纤耦合激光器模块的工艺水平和激光传输损耗角度分别选取了980nm和1310nm波长的激光作为系统的点火激光和检测激光。(2)根据系统的整体设计方案,完成了系统的软硬件设计。硬件设计主要分为系统光路设计和控制系统硬件设计两部分,光路设计部分主要设计了基于单光纤双波长方案的光路结构,控制系统硬件设计主要包括系统电源、主控制器、激光器驱动、点火时间测量、同步信号输出、光路检测、系统安保等模块的分析与设计。软件设计部分主要根据点火系统的工作流程,基于MDK开发工具进行设计,主要包括系统初始化、激光器温度的读取与监测、点火激光功率和脉宽的设定、系统光路检测等程序。(3)采用单光纤双波长技术方案实现了激光点火系统光路的定量检测。分析研究了系统光路的检测原理,并基于单光纤的光路结构实现了起爆器光窗口的反射率的定量检测,点火系统光路检测时可根据测量的反射率数值判断光路的连续性。设计了光电检测电路,并通过优化设计实现了微弱检测光信号的探测。(4)对各功能模块进行了软硬件协同测试,测试结果表明:激光器驱动电路的输出电流纹波小、无过冲、稳定性高;安保模块中光开关的插入损耗和延时时间满足系统设计要求;点火时间测量模块测量时间的准确性满足预期要求;同步信号输出模块输出的信号与点火信号的时间差随点火功率的增加而减少,时间差最大值满足设计要求;系统连续工作和多次插拔起爆器对光窗口反射率的测量影响不大,测得的反射率波动性较小;整机输出激光功率的准确性和中心波长的稳定性满足预期要求。控制系统软件功能齐全、操作简便,且运行可靠。系统各功能模块在主控制器的控制下稳定运行,最终实现了激光点火系统的基本功能,包括光路检测、系统保护、激光点火等,且具有较高的安全性和可靠性。


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