雙光纖自聚焦透鏡組件設(shè)計(jì)及光路仿真

湛 贊，嚴(yán) 楠，李朝振，程 俊，高廣澤，曾雅琴，宋乾強(qiáng)

(1.北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081；2.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)， 北京 100101；3.兵器裝備研究院， 北京 102202；4.北京宇航系統(tǒng)工程研究所， 北京 100076)

隨著戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境不斷惡化，常規(guī)的金屬橋絲電火工品越來(lái)越顯露出其弊端，造成了大量的意外發(fā)火事故[1]。激光火工品由于使用光纖代替導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)含能材料與電系統(tǒng)的隔離，能從根本上解決火工品電磁干擾問(wèn)題[2]。因此，激光點(diǎn)火與起爆技術(shù)成為重點(diǎn)研究方向，美軍標(biāo)MIL-STD-1901[3]中將激光直列式點(diǎn)火系統(tǒng)推薦用于火箭彈和導(dǎo)彈等點(diǎn)火系統(tǒng)。激光火工品光路中可能存在光路連接件的插入損耗、光學(xué)器件質(zhì)量散差、光纖折斷、彎曲、端面污染、劃痕或燒蝕等各種問(wèn)題，造成光路損耗增大，降低了發(fā)火可靠性。為此，需要在系統(tǒng)點(diǎn)火作用之前對(duì)光路健康狀況進(jìn)行檢測(cè)。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法是將測(cè)試儀器接入到系統(tǒng)中分段測(cè)量，必須拆卸光纖連接器。因此，許多研究學(xué)者提出光路在線自檢方法(built-in-test，BIT)，這種方法能在激光點(diǎn)火系統(tǒng)不受任何損壞條件下檢測(cè)從激光源到激光換能元接收光信號(hào)的狀態(tài)。根據(jù)檢測(cè)光纖和點(diǎn)火光纖是否為同一根光纖可將系統(tǒng)分為單光纖BIT系統(tǒng)[4-5]和雙光纖BIT系統(tǒng)[6-8]。Ensign-Bickford 航空公司Barglowski等[4]采用光耦合器對(duì)反射回的檢測(cè)激光進(jìn)行分束建立了單光纖BIT系統(tǒng)。祝明水等[5]采用光環(huán)形器對(duì)檢測(cè)激光進(jìn)行提取，能夠判斷光路通斷情況。周浩等[6]通過(guò)藥劑表面對(duì)檢測(cè)激光的漫反射進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)激光接收率為1.30×10-5～4.32×10-5。曾雅琴等[7]采用厚度0.6 mm光窗鍍上雙向色膜設(shè)計(jì)了光窗式激光火工品，檢測(cè)激光接收率提高到6%，但光窗會(huì)增大點(diǎn)火激光光斑大小，降低了激光功率密度。曹軍勝[8]采用兩個(gè)1/4P的自聚焦透鏡設(shè)計(jì)了激光起爆器的光學(xué)窗口，輸出光斑大小和光纖芯徑保持一致，防止了光束的發(fā)散，但未給出具體性能指標(biāo)。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于激光點(diǎn)火系統(tǒng)光路檢測(cè)方式取得了豐富的成果，但針對(duì)激光點(diǎn)火系統(tǒng)光路能量傳遞機(jī)理研究較少，對(duì)光路能量損失的來(lái)源不夠清楚，無(wú)法從理論上確定在正常光路下?lián)p耗的大小，從而無(wú)法確定正常損耗和故障損耗之間的差別，影響了對(duì)光路故障的判斷。此外，光路檢測(cè)結(jié)果存在檢測(cè)激光接收率較低的問(wèn)題。基于此，本文研究擬用ZEMAX光學(xué)仿真改進(jìn)原有的自聚焦激光火工品結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了雙光纖自聚焦透鏡組件，該結(jié)構(gòu)提高了檢測(cè)激光接收率，對(duì)激光點(diǎn)火系統(tǒng)光路檢測(cè)技術(shù)具有重要意義。

1 基于ZEMAX軟件的雙光纖自聚焦透鏡組件設(shè)計(jì)

ZEMAX是一款綜合性光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，國(guó)內(nèi)有研究人員利用ZEMAX光學(xué)軟件仿真激光在多模光纖[9]與自聚焦透鏡[10]中的傳輸特性，仿真結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果基本一致。ZEMAX軟件按照功能不同分為序列模式和非序列模式，其中序列模式可以通過(guò)設(shè)置優(yōu)化函數(shù)(MeritFunction)實(shí)現(xiàn)對(duì)透鏡參數(shù)的優(yōu)化，而非序列模式則可以通過(guò)設(shè)置探測(cè)器(Detector)對(duì)光路各部分能量傳輸情況進(jìn)行測(cè)試。本研究采用ZEMAX軟件序列模式優(yōu)化功能實(shí)現(xiàn)雙光纖自聚焦透鏡組件光斑聚焦效果，采用非序列模式對(duì)系統(tǒng)光路能量損失來(lái)源進(jìn)行研究。

1.1 雙光纖自聚焦透鏡組件優(yōu)化設(shè)計(jì)

北京理工大學(xué)的程俊[11]通過(guò)光線理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，使用兩個(gè)1/4P自聚焦透鏡，可以先將發(fā)散光線準(zhǔn)直后再聚焦；且使用大直徑自聚焦透鏡作為輸入端，小直徑自聚焦透鏡作為輸出端，臺(tái)階式結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)密封性能較好，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入光斑的縮放。為防止自聚焦透鏡相互接觸造成鍍膜的脫落，以及防止端面的磨損，兩個(gè)自聚焦透鏡之間需設(shè)置一定的間隙。自聚焦透鏡之間的封接，可以采用真空封接或普通封接，由于空氣折射率和真空折射率相同，對(duì)光束折射效果相同，故從節(jié)省成本考慮采用普通封接的方式。為避免兩個(gè)自聚焦透鏡之間的間隙影響光束聚焦效果，故采用序列模式優(yōu)化函數(shù)的功能對(duì)第二自聚焦透鏡的聚焦光路進(jìn)行優(yōu)化。

自聚焦透鏡的直徑一般有1 mm和1.8 mm兩種，為實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入光斑的縮放，采用1.8 mm直徑的自聚焦透鏡作為第一自聚焦透鏡，1 mm直徑的自聚焦透鏡作為第二自聚焦透鏡。設(shè)置第一自聚焦透鏡節(jié)距為1/4P，直徑為1.8 mm，第二自聚焦透鏡的長(zhǎng)度設(shè)置為變量，直徑為1 mm。建立優(yōu)化函數(shù)使光束聚焦在第二自聚焦透鏡后端面0.1 mm處。點(diǎn)擊Optimization進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后第二自聚焦透鏡節(jié)距為0.22P，光線軌跡如圖1所示。

圖1 自聚焦透鏡光線軌跡

根據(jù)仿真優(yōu)化結(jié)果設(shè)計(jì)雙光纖自聚焦透鏡組件。雙光纖自聚焦透鏡組件選擇Φ1.8 mm和Φ1 mm組合的雙自聚焦透鏡。將Φ1.8 mm的1/4P的透鏡作為輸入端，Φ1 mm的0.22P的透鏡作為輸出端。從自聚焦透鏡光路傳輸原理可知，檢測(cè)激光通過(guò)1/4P的自聚焦透鏡后端面反射后的光斑，始終與入射光斑沿自聚焦透鏡中心軸呈中心對(duì)稱。因此，檢測(cè)光纖也應(yīng)與點(diǎn)火光纖沿第一自聚焦透鏡的中心軸呈中心對(duì)稱，以提高檢測(cè)激光的接收率。為降低光纖與自聚焦透鏡的連接損耗，將點(diǎn)火光纖與檢測(cè)光纖沿光纖包層外壁緊貼著并列放置，并與自聚焦透鏡耦合進(jìn)毛細(xì)玻璃管中，這樣可以有效降低由于裝配公差帶來(lái)的傳能損耗。

將第一自聚焦透鏡的前后端面作為第一、第二端面，第二自聚焦透鏡的前后端面作為第三、第四端面，在第一、三、四個(gè)端面鍍?cè)鐾改ぃ谧跃劢雇哥R的第二個(gè)端面鍍雙向色膜，要求對(duì)808 nm激光增透，透過(guò)率≥99%，對(duì)650 nm激光反射，反射率≥99%，這樣更多的檢測(cè)光進(jìn)入檢測(cè)光纖來(lái)判斷光路的“健康”狀態(tài)。

為提高該雙光纖自聚焦透鏡組件的適用性，將毛細(xì)玻璃管封裝成為FC型光纖連接頭。設(shè)計(jì)加工好的雙光纖自聚焦透鏡組件實(shí)物如圖2、其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3。該結(jié)構(gòu)可以與激光火工品通過(guò)FC螺紋進(jìn)行連接，具有很好的適用性，可以廣泛應(yīng)用于不同結(jié)構(gòu)的激光火工品。

圖2 雙光纖自聚焦透鏡組件實(shí)物圖

圖3 雙光纖自聚焦透鏡組件結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 雙光纖自聚焦透鏡組件光能傳輸性能研究

為研究雙光纖自聚焦透鏡組件對(duì)點(diǎn)火激光的傳輸效率和對(duì)檢測(cè)激光的接收率，利用ZEMAX非序列模式對(duì)其光能傳輸過(guò)程進(jìn)行仿真[12]。自聚焦透鏡參數(shù)與上文一致，并通過(guò)ZEMAX的鍍膜(coatings)功能在第一、三、四端面添加對(duì)650 nm和808 nm激光全透過(guò)膜層，在第二端面添加對(duì)650 nm激光全反射、對(duì)808 nm激光全透射的雙向色膜。雙光纖選擇芯徑為Φ105/125 μm的階躍多模光纖，纖芯材料為F_SILICA，包層材料為CAF2，兩根光纖以自聚焦透鏡的中軸對(duì)稱放置。為提高圖片的顯示效果，將點(diǎn)火光纖和檢測(cè)光纖之間的距離拉開顯示，實(shí)際仿真時(shí)點(diǎn)火光纖和檢測(cè)光纖為沿著光纖包層外壁緊貼著并列放置。

為得到點(diǎn)火激光的傳輸效率，設(shè)置點(diǎn)火激光波長(zhǎng)為808 nm，激光功率為1 W。模擬出雙光纖自聚焦透鏡組件模型及點(diǎn)火激光傳輸光線軌跡如圖4所示。圖4中黑色部分為激光的光線軌跡，透鏡中激光呈正弦曲線傳播。左側(cè)的1/4P的自聚焦透鏡將光纖傳輸來(lái)的發(fā)散光束進(jìn)行準(zhǔn)直，右側(cè)的0.22P自聚焦透鏡對(duì)準(zhǔn)直光束進(jìn)行聚焦。在點(diǎn)火光纖前端面設(shè)置探測(cè)片S1，在第二個(gè)透鏡的右端面0.1 mm焦距上設(shè)置探測(cè)片S2，探測(cè)片S1功率為1 W，探測(cè)片S2功率為0.93 W，故點(diǎn)火激光傳輸效率為93%。

圖4 點(diǎn)火激光的光線軌跡

為得到檢測(cè)光纖對(duì)波長(zhǎng)為650 nm光的接收率情況，設(shè)置650 nm檢測(cè)激光入射功率為1 mW，在檢測(cè)光纖前端面加一個(gè)探測(cè)片S3，模擬結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明檢測(cè)激光經(jīng)過(guò)1/4P自聚焦透鏡反射后大部分返回檢測(cè)光纖，探測(cè)片S1功率為1 mW，探測(cè)片S3功率為0.87 mW，故檢測(cè)激光接收率為87%。

圖5 檢測(cè)激光的光線軌跡

分析仿真結(jié)果中能量損失來(lái)源。由于自聚焦透鏡端面鍍上雙向色膜和增透膜，因此傳輸損耗主要由光纖端面的菲涅爾反射帶來(lái)的。按照菲涅爾定理[13]，光在兩種折射率不同的介質(zhì)的交界面處會(huì)發(fā)生菲涅爾反射，大小由兩種介質(zhì)的折射率決定，即：

(1)

式(1)中，χ為菲涅爾反射的反射率；n1、n2分別為兩種介質(zhì)的折射率。點(diǎn)火激光傳輸效率為η點(diǎn)火，檢測(cè)激光接收率為η檢測(cè)。激光從光纖輸出后進(jìn)入空氣，光纖纖芯F_SILICA的折射率為1.458 5，空氣的折射率為1，代入式(1)，計(jì)算得空氣-光纖界面的反射率χ1為3.48%。

對(duì)于點(diǎn)火激光，其經(jīng)過(guò)的空氣-光纖界面有兩個(gè)，如圖4中的1、2界面，即點(diǎn)火光纖的前后端面，忽視界面的二次反射，則點(diǎn)火激光傳輸效率為：

η點(diǎn)火=(1-χ1)2=93.16%

對(duì)于檢測(cè)激光，其經(jīng)過(guò)的空氣-光纖界面有四個(gè)，如圖5中的1、2、3、4界面，即點(diǎn)火光纖和檢測(cè)光纖的前后端面，忽視界面的二次反射，則檢測(cè)激光接收率為：

η檢測(cè)=(1-χ1)4=86.78%

從上文計(jì)算可以看出，對(duì)于點(diǎn)火激光傳輸效率，仿真值和理論值差別為0.16%，而對(duì)于檢測(cè)激光接收率，仿真值和理論值差別為0.22%。通過(guò)理論計(jì)算和仿真結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，對(duì)檢測(cè)光路和點(diǎn)火光路傳輸效率測(cè)試結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。從結(jié)果可得，在正常光路情況下，雙光纖自聚焦透鏡組件的損耗主要來(lái)自于不同界面的菲涅爾反射。

2 雙光纖自聚焦透鏡組件性能測(cè)試試驗(yàn)

對(duì)加工好的雙光纖自聚焦透鏡組件性能進(jìn)行測(cè)試。為此，建立雙光纖BIT系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)。

雙光纖BIT系統(tǒng)包括點(diǎn)火控制單元、光能傳輸單元、激光換能元三部分。其中點(diǎn)火控制單元包括高功率點(diǎn)火激光二極管(點(diǎn)火LD)、低功率檢測(cè)激光二極管(檢測(cè)LD)、激光二極管驅(qū)動(dòng)電源三部分；光路傳輸部分包括光纖與光纖連接器兩部分；激光換能元包括雙光纖自聚焦透鏡組件和激光點(diǎn)火器兩部分。雙光纖BIT系統(tǒng)原理圖如圖6。其中，點(diǎn)火激光和檢測(cè)激光波長(zhǎng)不同。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)時(shí)，激光器尾纖輸出功率較小的檢測(cè)激光，檢測(cè)激光通過(guò)點(diǎn)火光纖傳輸至雙光纖自聚焦透鏡組件，通過(guò)雙光纖自聚焦透鏡組件上雙向色膜的反射進(jìn)入檢測(cè)光纖中，并通過(guò)激光功率計(jì)測(cè)試檢測(cè)激光功率大小。根據(jù)激光功率計(jì)測(cè)得的檢測(cè)激光強(qiáng)弱，可以計(jì)算出系統(tǒng)的傳輸效率，從而判斷光路的完整情況。

圖6 雙光纖BIT系統(tǒng)原理圖

2.1 點(diǎn)火控制單元

點(diǎn)火激光的選擇依據(jù):一是點(diǎn)火裝藥對(duì)激光波長(zhǎng)的特征感度，二是激光功率裕度。本文研究選擇了808 nm波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器，最大輸出2 W，對(duì)激光火工品具備較大的能量裕度(按閾值功率0.2 W計(jì)算)。

AIAA-S-113-2016[14]要求點(diǎn)火激光和檢測(cè)激光波長(zhǎng)不相同，其中輸出的檢測(cè)光不超過(guò)含能材料不發(fā)火能量的1/100，到達(dá)含能材料的檢測(cè)光大小應(yīng)不超過(guò)不發(fā)火能量的1/104。考慮到反射膜對(duì)波長(zhǎng)選擇性能指標(biāo)，點(diǎn)火激光波長(zhǎng)與檢測(cè)激光波長(zhǎng)區(qū)別應(yīng)在100 nm以上，本研究選用檢測(cè)激光的波長(zhǎng)為650 nm，選擇檢測(cè)激光輸出功率為0～2 mW。

2.2 光能傳輸單元

光纖：本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用多模階躍石英光纖，光纖芯徑Ф105/125 μm，數(shù)值孔徑0.22，光纖輸出端為FC/PC連接器，螺紋連接。

光纖連接器：本系統(tǒng)選用的是多模、FC/PC 型光纖連接器，螺紋連接方式，便于光纖連接操作。

按照?qǐng)D6雙光纖BIT系統(tǒng)原理圖建立試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，采用激光功率計(jì)測(cè)試雙光纖自聚焦透鏡組件輸出點(diǎn)火激光功率大小。對(duì)808 nm點(diǎn)火激光傳輸效率η點(diǎn)火進(jìn)行測(cè)試，調(diào)整點(diǎn)火激光輸出功率使尾纖輸出功率為1 W，然后通過(guò)激光功率計(jì)測(cè)量雙光纖自聚焦透鏡組件輸出端面的功率P1。對(duì)650 nm檢測(cè)激光接收率η檢測(cè)進(jìn)行測(cè)試，調(diào)整檢測(cè)激光輸出功率使尾纖輸出功率為1 mW，然后通過(guò)激光功率計(jì)測(cè)量檢測(cè)光纖輸出功率P2。選取5發(fā)樣品，每個(gè)樣品測(cè)試5次，試驗(yàn)結(jié)果如表1、表2所示。

從表1、表2可以看出，5個(gè)不同的雙光纖自聚焦透鏡組件點(diǎn)火激光傳輸效率在83.0%～85.9%，檢測(cè)激光傳輸效率在78.4%～81.0%。重復(fù)測(cè)量有一定誤差，最大差別為1.6%。仿真得到的點(diǎn)火激光傳輸效率和檢測(cè)激光接收率均大于試驗(yàn)測(cè)試值，差別在10%以內(nèi)，證明了仿真結(jié)果的正確性。

表1 雙光纖自聚焦透鏡組件點(diǎn)火激光傳輸效率測(cè)試

表2 雙光纖自聚焦透鏡組件檢測(cè)激光接收率測(cè)試

由于仿真和理論計(jì)算得到的點(diǎn)火激光傳輸效率和檢測(cè)激光接收率均是在完全正常光路下純理論計(jì)算結(jié)果，而實(shí)際光路有很多不同的故障，會(huì)影響到光能傳輸。如光纖斷面污染、自聚焦透鏡的污染、自聚焦透鏡之間的裝配偏差、雙光纖與自聚焦透鏡的裝配偏差等均會(huì)影響到點(diǎn)火激光和檢測(cè)激光的光能傳輸。因此，理論和仿真值均大于試驗(yàn)測(cè)試值。

3 結(jié)論

1) 通過(guò)理論和仿真計(jì)算確定了正常光路下雙光纖自聚焦透鏡組件能量損耗來(lái)源為不同界面的菲涅爾反射；

2) 雙光纖自聚焦透鏡組件對(duì)檢測(cè)激光接收率在78.4%～81.0%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于公開報(bào)道的文獻(xiàn)，降低了檢測(cè)激光反射信號(hào)提取的難度，提高了檢測(cè)激光的信噪比；

3) 雙光纖自聚焦透鏡組件對(duì)點(diǎn)火激光的傳輸效率在83.0%～85.9%，滿足對(duì)點(diǎn)火激光功率的需求；

4) 仿真得到雙光纖自聚焦透鏡組件的能量損耗和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果誤差在10%以內(nèi)，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。