馬紅萍，田中旺，王 鑫

(1.機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；2. 西安斯譜光電技術(shù)有限公司,陜西 西安 710065)

0 引言

微光機(jī)電系統(tǒng)(micro-optical-electromechanical systems,MOEMS)是指利用微加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)的用于光學(xué)系統(tǒng)的MEMS器件[1]。微光機(jī)電引信安全系統(tǒng)采用光纖進(jìn)行激光起爆能量的傳輸，通過微機(jī)電執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制光路的通斷，從而實(shí)現(xiàn)引信的安全與解除保險(xiǎn)功能。受限于彈上空間，微光機(jī)電引信安全系統(tǒng)的輸入能源為半導(dǎo)體激光器[2]，體積和功率較小，而含能材料對(duì)點(diǎn)火激光的功率需求較大[3-6]，因此激光能量在光路通斷過程中的損耗控制就成了微光機(jī)電引信安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究的關(guān)鍵。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于微光機(jī)電引信安全系統(tǒng)的研究開展于二十世紀(jì)九十年代，美海軍水面作戰(zhàn)中心Indian Head分部在其魚雷引信安全系統(tǒng)中部分采用了MOEMS技術(shù)[7-8]，用于激活點(diǎn)火電路。文獻(xiàn)[9]提出了激光起爆引信安全系統(tǒng)，以火箭彈引信環(huán)境為基礎(chǔ)完成了激光起爆引信安全系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[10]提出了硅基微光機(jī)電保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)，采用光纖作為過程能量傳輸?shù)妮d體，通過靜電驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖光路錯(cuò)位與對(duì)準(zhǔn)的控制，達(dá)到引信安全與解除保險(xiǎn)的目的。近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)高能激光傳輸特性也進(jìn)行了研究，提出了一些理論模型：文獻(xiàn)[11—12]對(duì)高峰值功率激光的光纖注入、耦合與傳輸特性進(jìn)行了研究，為系統(tǒng)優(yōu)化提供了指導(dǎo)；文獻(xiàn)[13]針對(duì)特定高能激光器應(yīng)用系統(tǒng)而對(duì)傳能光纖進(jìn)行了仿真和應(yīng)用研究。然而，這些關(guān)于微光機(jī)電引信安全系統(tǒng)和激光能量傳輸?shù)难芯渴窍嗷オ?dú)立的，缺乏對(duì)常規(guī)功率激光在微光機(jī)電引信安全系統(tǒng)中傳輸能量特性的研究，且未對(duì)多因素偏移狀態(tài)下激光能量傳輸損耗進(jìn)行量化分析，無法指導(dǎo)微光機(jī)電引信安全系統(tǒng)的光路設(shè)計(jì)。本文通過理論分析和仿真計(jì)算研究微光機(jī)電引信安全系統(tǒng)激光能量的傳遞特性，揭示了直接對(duì)準(zhǔn)耦合光纖軸向、徑向、角度以及多因素偏移條件下激光能量的傳輸規(guī)律。

1 微光機(jī)電引信安全系統(tǒng)基本原理

微光機(jī)電引信安全系統(tǒng)主要由慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)、電保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)、鎖定機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)器以及輸入、輸出光纖等組成，如圖1所示。其中，驅(qū)動(dòng)器、輸入光纖和輸出光纖構(gòu)成了安全系統(tǒng)的光路模塊，光纖之間的耦合模式為直接對(duì)準(zhǔn)型，耦合光纖間距不大于100 μm，光纖類型為漸變折射率多模石英光纖[14]。

圖1 微光機(jī)電引信安全系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Principle block diagram of micro-optical-electro-mechanical fuze safety and arming system

平時(shí)，輸入和輸出光纖處于“錯(cuò)開”狀態(tài)，慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)和電保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)將驅(qū)動(dòng)器和輸入光纖限制在保險(xiǎn)位置，保證了勤務(wù)處理過程中安全系統(tǒng)的安全性。發(fā)射后，在發(fā)射過載(環(huán)境信息I)的作用下，慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)解除對(duì)驅(qū)動(dòng)器的第一道保險(xiǎn)；飛行過程中，當(dāng)識(shí)別到設(shè)定的彈丸轉(zhuǎn)速(環(huán)境信息II)時(shí)，電保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)中的微執(zhí)行器解除對(duì)驅(qū)動(dòng)器的第二道保險(xiǎn)；在炮口安全距離后，控制系統(tǒng)發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器作用推動(dòng)輸入光纖和輸出光纖對(duì)正，并鎖定輸入光纖，引信待發(fā)。攻擊目標(biāo)時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出起爆信號(hào)，激光器發(fā)出激光，通過導(dǎo)通的光纖光路起爆激光火工品[15]。

驅(qū)動(dòng)器推動(dòng)輸入光纖移動(dòng)對(duì)正的整個(gè)作用過程處于彈丸發(fā)射或飛行動(dòng)態(tài)環(huán)境中，很難保證微驅(qū)動(dòng)器可以毫無誤差地將輸入光纖推動(dòng)到全部對(duì)正位置，可能出現(xiàn)輸入光纖與輸出光纖產(chǎn)生徑向偏移和角度偏離等情況。

2 激光能量傳輸特性分析

2.1 理論分析

激光在微光機(jī)電安全系統(tǒng)的傳輸過程中，進(jìn)行能量損耗控制涉及以下幾個(gè)方面：激光在光纖中的傳輸損耗控制，雙光纖精確對(duì)正與鎖定，光纖與激光源、火工品之間的高效耦合。其中，光纖與激光源和火工品之間耦合時(shí)，對(duì)傳輸效率造成影響的主要因素是介質(zhì)之間的耦合模式，不在微光機(jī)電引信安全系統(tǒng)內(nèi)部能量傳輸特性的研究范疇。

光在實(shí)際光纖中傳輸時(shí)，光功率將隨傳輸距離的增加而以指數(shù)衰減，單位距離的衰減損耗α可表示為：

(1)

式(1)中，P0為入射光纖功率，PL為光纖傳輸距離L后的輸出功率。多模石英光纖的最大衰減一般不超過4 dB/km，考慮到微光機(jī)電引信安全系統(tǒng)的體積有限，光纖長(zhǎng)度不超過20 mm，光由于傳輸距離引起的衰減損耗可以忽略不計(jì)。

雙光纖直接對(duì)準(zhǔn)耦合時(shí)，軸向間隙、微驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)誤差造成的徑向偏移和角度偏離是影響雙光纖耦合效率的主要因素。

1)軸向間隙

端面間隙為z的兩光纖相互耦合時(shí)，其耦合損耗α1為：

(2)

式(2)中，N為匹配系數(shù)，N=n1/n0；n1為纖芯折射率，n0為光纖間空隙介質(zhì)折射率；Δ為芯包折射率差。

2)徑向偏移

徑向偏移時(shí)，只有兩纖芯重疊部分才有光通過，當(dāng)光纖芯半徑為a，兩光纖軸偏離為x時(shí)，其耦合損耗α2為：

(3)

當(dāng)徑向偏移x/a<0.2時(shí)，耦合損耗小于1 dB。

3)角度偏離

光纖光軸角度偏離為θ，其耦合損耗α3為：

(4)

當(dāng)角度偏移小于3°時(shí)，耦合損耗小于1 dB。

2.2 仿真計(jì)算

2.2.1參數(shù)設(shè)置

采用美國(guó)焦點(diǎn)公司的綜合光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX進(jìn)行微光機(jī)電引信安全系統(tǒng)光路模塊能量傳輸過程的仿真計(jì)算。光纖種類為漸變折射率多模石英光纖跳線，光纖規(guī)格尺寸為105/125/250 μm(纖芯直徑/包層半徑/涂覆層直徑)，折射率為1.46，數(shù)值孔徑為0.24，孔徑角為14°。輸入光源為紅外半導(dǎo)體激光器，波長(zhǎng)為980 nm，功率為1 W。在仿真過程中不考慮輸入光源與輸入光纖之間的耦合損耗，輸入光纖直接產(chǎn)生1 W的激光功率射入輸出光纖。

2.2.2光學(xué)仿真原理

從光纖和激光源的參數(shù)設(shè)置可以看出，光纖的纖芯直徑遠(yuǎn)大于激光的工作波段，因此采用軟件ZEMAX Optic Studio中的幾何圖像分析(geometric image analysis)進(jìn)行多模光纖耦合效率的仿真計(jì)算。為了使纖芯支持盡量多的橫模，使用幾何光纖模擬多模光纖的耦合過程。光纖仿真原理見圖2。幾何圖像分析結(jié)果表明，耦合有效性可達(dá)99.997%。

圖2 光纖耦合光學(xué)仿真原理圖Fig.2 Optical simulation schematic diagram of fiber coupling

2.2.3仿真結(jié)果及分析

通過調(diào)整輸出光纖與輸入光纖的位置關(guān)系，預(yù)設(shè)輸出光纖處于不同軸向間隙、徑向偏移和角度偏離等不同因素影響狀態(tài)，仿真計(jì)算激光能量的傳輸效率。

1)單因素影響條件下能量傳輸特性

在只考慮軸向間隙、徑向偏移和角度偏離等單一因素影響的條件下，分別通過32組偏移量的仿真計(jì)算，得出激光能量的傳輸效率隨偏移量增大的變化曲線，如圖3所示。其中，圖3(a)中軸向間隙的偏移量范圍為0～2 mm，不考慮徑向、角度的影響；圖3(b)中徑向偏移的范圍為0～120 μm，軸向間隙為0，不考慮角度影響；圖3(c)中角度偏離的范圍為0～13.5°，軸向間隙為0，不考慮徑向影響。

圖3 單一因素條件下激光能量的傳輸效率曲線Fig.3 Transmission efficiency curve of laser energy pointing to single factor

從仿真計(jì)算結(jié)果可知，直接對(duì)準(zhǔn)型光纖耦合時(shí)，激光能量傳輸效率隨軸向間隙、徑向偏移或角度偏離等偏移量的增大而降低。當(dāng)軸向間隙小于300 μm時(shí)傳輸效率大于80%，當(dāng)間隙大于575 μm時(shí)效率小于50%；當(dāng)徑向偏移小于25 μm時(shí)傳輸效率大于80%，當(dāng)偏移大于43 μm時(shí)效率小于50%；當(dāng)角度偏離小于2.1°時(shí)傳輸效率大于80%，當(dāng)偏離大于5.6°時(shí)效率小于50%。相對(duì)于軸向間隙，徑向偏移和角度偏離對(duì)光纖耦合后激光能量傳輸效率的影響較大。

2)多因素影響條件下能量傳輸特性

從微光機(jī)電引信安全系統(tǒng)光路的設(shè)計(jì)指標(biāo)可以看出，雙光纖在理想對(duì)準(zhǔn)情況下的間隙介于0～100 μm。在系統(tǒng)的實(shí)際工作過程中，光纖很難達(dá)到理想的對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)，光纖之間必然存在軸向、徑向以及角度等多個(gè)因素的對(duì)準(zhǔn)誤差。有必要在單因素能量傳輸效率的計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上，以特定耦合條件進(jìn)行多因素影響條件下能量傳輸效率的仿真計(jì)算。

圖4為軸向間隙變化的情況下，傳輸效率隨徑向偏移或角度偏離增大的變化曲線。當(dāng)軸向間隙在0～100 μm范圍內(nèi)變化時(shí)，傳輸效率隨徑向偏移和角度偏離變化趨勢(shì)接近，從圖中觀察，部分線段甚至出現(xiàn)了重疊。當(dāng)軸向間隙為100 μm時(shí)，徑向偏移小于23 μm時(shí)對(duì)應(yīng)的傳輸效率大于80%，偏移大于43 μm時(shí)對(duì)應(yīng)的傳輸效率小于50%；角度偏離小于1.9°時(shí)對(duì)應(yīng)的傳輸效率與80%，偏離大于5.4°時(shí)對(duì)應(yīng)的效率小于50%。對(duì)比初始狀態(tài)(軸向間隙為0)計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)軸向間隙不大于100 μm時(shí)，徑向偏移和角度偏離不相互疊加狀態(tài)下激光能量的傳輸特性基本保持不變。

圖4 雙重因素條件下激光能量的傳輸效率曲線Fig.4 Transmission efficiency curve of laser energy pointing to double factors

圖5為預(yù)設(shè)徑向偏移和角度偏離情況下，分別基于32組仿真計(jì)算結(jié)果形成的傳輸效率隨軸向間隙增大的變化曲線?？梢钥闯?，橫向偏移和角度偏離同時(shí)存在時(shí)，激光能量的傳輸效率會(huì)明顯下降。當(dāng)徑向偏移達(dá)30 μm，角度偏離達(dá)1°時(shí)，能量傳輸效率低于70%；當(dāng)徑向偏移達(dá)40 μm，角度偏離達(dá)3°時(shí)，傳輸效率低于50%。

圖5 多因素條件下激光能量的傳輸效率曲線Fig.5 Transmission efficiency curve of laser energy pointing to multiple factors

表1所示為光纖軸向端面間隙為0和100 μm時(shí)，不同預(yù)設(shè)條件下的激光能量經(jīng)光纖耦合后的傳輸效率?？梢钥闯?，兩種狀態(tài)下絕對(duì)差值不大于2.33%，即當(dāng)軸向間隙不大于100 μm時(shí)，徑向偏移和角度偏離的疊加不會(huì)對(duì)激光能量的傳輸特性造成影響；同時(shí)，相同徑向偏差條件疊加不同的角度偏差時(shí)，隨著角度偏差的增大傳輸效率將顯著下降，間接表明角度偏離對(duì)光纖耦合后激光能量傳輸效率的影響較大，光路對(duì)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)盡量避免角度偏離不大于1°。

表1 不同預(yù)設(shè)條件激光能量傳輸效率Tab.1 Laser energy transmission efficiency under different preconditions

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

采用雙光纖對(duì)準(zhǔn)耦合激光能量傳輸損耗測(cè)試平臺(tái)對(duì)微光機(jī)電引信安全系統(tǒng)光路傳輸進(jìn)行模擬測(cè)試，測(cè)試平臺(tái)主要由半導(dǎo)體激光器、輸入光纖、輸出光纖、四維移動(dòng)平臺(tái)以及數(shù)字光功率計(jì)等組成，見圖6。

圖6 激光能量傳輸損耗測(cè)試平臺(tái)Fig.6 Experimental system of laser energy transmission losses

激光器為980 nm紅外半導(dǎo)體激光器，型號(hào)為L(zhǎng)R-ISP-980/1～1 000 mW，可輸出恒定功率為1 W的激光能量；光纖為帶FC接頭的光纖跳線，光纖的其他參數(shù)同仿真計(jì)算中的參數(shù)相同。輸入光纖固定于移動(dòng)平臺(tái)的固定端，輸出光纖由四維移動(dòng)平臺(tái)調(diào)節(jié)移動(dòng)，可模擬軸向、徑向、角度以及多因素疊加等偏移狀態(tài)，激光能量經(jīng)輸入光纖、輸出光纖耦合后，由數(shù)字光功率計(jì)進(jìn)行探測(cè)，計(jì)算得出耦合效率。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文中能量損耗測(cè)試的目的是為了驗(yàn)證仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性，因此僅針對(duì)軸向移動(dòng)和徑向偏移兩種常規(guī)偏差條件進(jìn)行能量傳輸效率測(cè)試，分別對(duì)32組測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到的變化曲線見圖7。

圖7 激光能量傳輸效率測(cè)試曲線Fig.7 Transmission efficiency test curve

從圖中可以看出，測(cè)試曲線和仿真曲線的變化趨勢(shì)基本一致，但測(cè)試結(jié)果低于仿真結(jié)果。其中，圖7(a)所示軸向移動(dòng)條件下傳輸效率的仿真與測(cè)試曲線的平均差值為11.2%，圖7(b)所示徑向偏移條件下的平均差值為6.6%。FC光纖接頭以及四維移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)精度導(dǎo)致的誤差是造成測(cè)試結(jié)果偏差的主要原因，光纖接頭與光纖連接時(shí)產(chǎn)生的連接損耗一般為不大于0.2 dB，換算得出的能量傳輸損耗百分比約為4.5%，因此考慮兩處光纖接頭對(duì)接帶來的損耗情況下，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，仿真結(jié)果基本可信。

4 結(jié)論

本文從微光機(jī)電引信安全系統(tǒng)工作原理出發(fā)，對(duì)激光在光纖中傳輸?shù)幕A(chǔ)理論進(jìn)行了分析，建立了雙光纖對(duì)準(zhǔn)光纖仿真模型，對(duì)光纖軸向、徑向、角度以及多因素等偏移條件下激光能量傳輸效率進(jìn)行了仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在軸向、徑向和角度偏離等多重因素的影響下，能量的傳輸效率會(huì)明顯降低，其中角度偏離的影響最大。在微光機(jī)電引信安全系統(tǒng)光路的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)重點(diǎn)保證角度的對(duì)準(zhǔn)性，在疊加徑向偏移的情況下角度偏離不大于1°。本文的研究成果可以為微光機(jī)電引信安全系統(tǒng)激光傳輸光路的設(shè)計(jì)和損耗控制提供指導(dǎo)和參考。