1 引 言

激光火工品具有电磁本质安全，易扩展等独特优势，在钝感火工品中具有一定的应用潜力^[1]，近年来已逐步应用于航空、航天和军事领域^[2]。激光起爆技术^[3]根据作用方式可分为：激光驱动飞片起爆和激光直接起爆。激光驱动飞片起爆使用固体调Q激光器，体积较大、光纤耦合困难，目前还处于试验室研究阶段。激光直接起爆技术中固体激光器和半导体激光二极管都可作为起爆激励光源，固体激光器常被用于猛炸药及较钝感的起爆药剂性能研究^[4]，大功率半导体激光器具有体积小，易集成，光纤直接输出，使用灵活等优势，但其输出激光功率密度约为10³~10⁴ W·cm^-2，通常用于起爆激光敏感起爆药剂，目前常用的激光敏感起爆药剂为高氯酸·[四氨·双(5‑硝基四唑)]合钴(Ⅲ)（BNCP），具有激光感度好、燃烧转爆轰（DDT）时间短、输出威力大等特点。半导体激光驱动方式通常是直流电源模块恒压或恒流模块直接驱动激光二极管，国内外研究者利用恒压和恒流两种驱动方式对BNCP起爆开展研究^[5‑6]。E.S. Hafenrichter等^[7]利用激光脉冲恒压电源控制激光二极管输出脉宽5 μs，上升时间为2 μs功率为18 W的激光，在不同光斑直径和压药密度下对BNCP进行起爆试验，起爆延时最短仅4~5 μs，激光起爆能量在33~58 μJ。陈利魁等^[8]利用恒压脉冲半导体激光器研究了掺杂对BNCP半导体激光起爆感度的影响，选择适当的掺杂物，可大幅降低发火能量，起爆延时最短为2.3 ms，发火能量为0.24 mJ。曹军胜等^[9]采用压控恒流驱动方式起爆BNCP，激光起爆阈值功率随激光脉宽增加而降低。任鹏等^[10]采用恒压驱动方式起爆BNCP，BNCP作用时间与激光输出能量成反比。恒压与恒流两种激光驱动方式，其本质都是直流电能直接供能，对主机电源瞬态能量供给要求较高，要提高激光二极管输出功率，就必须为大功率激光二极管提供较大的驱动电流，电源模块的体积也会随着电流的增加而成倍数增加，难以满足武器弹药对激光火工品快速作用的应用需求。

超级电容是一种近年来飞速发展的新型储能器件，其工作特性介于传统电容与蓄电池之间，具有明显的性能优势^[11]。超级电容较传统电容器储存能量大1~2个数量级以上，且等效电阻（等效电阻）更低，较锂电池则具有更强的瞬时功率输出，此外还具有功率密度高、工作温度宽，循环次数多等优势，非常适合激光火工品瞬时（毫秒量级）低压（≯15 V）大驱动电流（5~15 A）的应用。

本研究根据超级电容高储能、瞬时功率输出特性，设计了一种以超级电容为储能元件的激光起爆试验装置，探讨了在不同放电电压及超级电容容值条件下，超级电容驱动激光的输出波形与能量规律，及其对以BNCP为始发药、JH‑14为输出装药的激光起爆器的激光起爆规律，为超级电容在激光火工品的应用提供参考。

2 试验部分

2.1 超级电容激光起爆装置

传统直流电源驱动模式工作时间内可为激光二极管提供稳定持续的驱动电流，而超级电容驱动方式下，超级电容储能随工作时间逐渐消耗，驱动电流随之减小，驱动能力减弱，两种驱动方式驱动激光输出功率在时域上差异较大。为了研究超级电容驱动激光起爆规律，设计了如图1所示的超级电容激光起爆装置，主要由DC‑DC电源模块、控制模块、充电模块、功率驱动模块、MOSFET开关模块等功能模块和限流电阻（包含等效电阻R_CS及放电回路阻抗R_LS R L S ）组成，当装置处于待机状态时，首先将电能存储在超级电容中，当接收到点火指令后，驱动模块控制MOSFET开关管闭合，控制超级电容放电为激光二极管提供电能，驱动激光二极管输出大功率激光。

图1 基于超级电容的激光起爆装置原理图

Fig.1 Principle diagram of laser initiation device based on super capacitor

超级电容放电过程为零输入响应^[12]，通常所建立的模型为RC放电模型^[13,14]，电流和电压按指数规律衰减，忽略了放电回路中电感的影响，即放电开始时，就已经达到了激光输出功率的极大值，而根据所选用的大功率激光二极管器件手册及文献，激光输出上升沿一般在数十微妙量级^[15]，这是由于放电回路及激光二极管自身寄生参数限制了上升沿的陡峭程度。激光起爆作用时间一般较短，因此需通过建立在时域上更能反映激光驱动上升沿特性的RLC激光输出时域模型对超级电容激光起爆装置输出特性进行仿真研究^[16]。

在放电初始状态下，超级电容放电电压为U_F(0)，则电路的放电回路可看作零输入响应的串联RLC电路，与传统脉冲激光二极管高压驱动方式不同，在低压驱动中激光二极管结电压不可忽略，由此得到超级电容放电回路基本方程如式(1)为：

式中，U_F(t)为起爆回路放电电压，V；I_F(t)为起爆回路放电电流，A；C为超级电容的容值，mF；R_CS为超级电容等效电阻，Ω；R_LS为限流电阻及线阻，Ω；L为放电回路寄生电感，μH；U_T为激光二极管结电压，V。

由初始条件t=0⁺时，设U₀为初始放电电压，则U_F(0)=U₀,I_F(0)=0；令R_S为放电回路的总阻抗，R_s=R_LS+R_CS，α为衰减因子， α = R s 2 L ，决定放电过程中电压和电流的衰减特性。

当 R s > 2 L C 时，电流I_F(t)放电波形为过阻尼正向脉冲波形如式(2)为：

式中， P 1,2 = - α ± ( R S 2 L ) 2 - 1 L C ；

激光二极管在超级电容放电回路电流的驱动下输出激光能量，由于激光二极管驱动的特殊性，存在结电压U_T、阈值电流I_th两项基本约束，当驱动电流低于I_th时，激光二极管仅输出荧光，当驱动电压低于U_T时，激光二极管未导通无输出，因此激光输出波形并不与电流波形完全一致。结合（2）式可得激光二极管输出功率如式(3)：

式中，E_ff为激光二极管斜率； τ 为激光脉冲时间，μs；U_OP为激光二极管输出激光时的工作电压，V； Φ ( t ) 表示只在激光脉冲时间内有激光输出。

由此建立了以超级电容容值、放电电压为变量的超级电容驱动激光输出时域模型。

根据器件数据手册及实测结果，设定超级电容激光起爆装置放电回路限流电阻R_LS为0.9 Ω，寄生电感L为25 μH，激光二极管结电压U_T为2.606 V，阈值电流I_th为0.75 A，工作电压U_OP为3.21 V，光电斜率E_ff为0.5534，起爆控制脉宽τ为830 μs。为了提高超级电容高峰值功率驱动能力，根据超级电容材料（液态钽电容Liquid tantalum与有机电化学双层电容EDLC）与容值大小，选用了表1所示的7种超级电容。

表1 超级电容选型参数

Table 1 Selection parameters of Super capacitor

sample	C / mF	RCS / mΩ	materials
1#	0.044	1580.00	liquid tantalum
2#	0.08	1200.00	liquid tantalum
3#	0.1	750.00	liquid tantalum
4#	0.44	650.00	liquid tantalum
5#	1	450.00	liquid tantalum
6#	60	650.00	EDLC
7#	120	192.00	EDLC

NOTE: C is the capacitance value.

2.2 试验样品

试验所用传能光缆为105/125 µm多模阶跃型石英光缆，长度2 m，数值孔径为0.22。

激光起爆器^[17,18,19]采用带自聚焦透镜的激光起爆器，其始发装药为BNCP起爆药，为了使激光能量能够转化为热能被药剂吸收，掺入碳黑作为激光吸收剂，以提高吸光性能，含碳量为3%，装药量为50 mg，装药密度1.4 g·cm^-3；输出装药为聚黑（JH‑14），装药量150 mg，装药密度1.69 g·cm^-3。最终单发起爆器的装药量为200 mg，装药药柱直径为4.5 mm，高度为7.8 mm。

2.3 超级电容驱动激光起爆试验方法

超级电容放电起爆试验系统如图2所示，由超级电容激光起爆装置、1×2不均匀光分束器（99∶1，多模阶跃105/125 µm）、传能光缆、触发光缆、激光起爆器、激光能量计（Ophir Vega型）、光电探测器（Thorlabs DET10A型）、数字示波器（Agilent DSO5012A型，带宽100 MHz，采样速率2GSa/s）等部分组成。

试验时，通过更换超级电容器及调节放电电压，可测试激光起爆器在不同超级电容参数条件下的响应规律。超级电容激光起爆装置控制超级电容放电驱动激光二极管产生高功率激光，经1×2光分束器后分为功率比为99∶1的两束激光，其中小功率激光经触发光纤、光衰减器传输至光电探测器1，作为激光起爆触发信号，试验中光衰减器进一步对小功率激光衰减10倍，通过对光电探测器响应度标定可计算激光输出至激光起爆器的功率。大功率激光经传能光纤传输后接入激光起爆器最终实现起爆，在起爆试验前接入激光能量计可对激光输出能量进行测量，而激光起爆器爆轰产生的光信号通过光电探测器2采集作为起爆器作用信号，分析数字示波器存储记录的触发信号及起爆器作用信号如（5）式可得到激光起爆器作用时间τ_d，µs。

式中，t₁为激光起爆触发时刻，µs；t₂为起爆器作用时刻，µs。

激光起爆能量E_d为激光输出功率波形在激光触发至激光起爆器作用时间段内的积分：

式中， P e x p ( t ) 为超级电容驱动激光二极管输出时域功率，W。

进而可以求出激光能量利用率η_d，

式中，E₀为利用激光能量计测量的激光输出能量。

图2 超级电容放电起爆试验系统示意图

Fig.2 Schematic diagram of super capacitor discharge initiation test system

3 结果与讨论

3.1 不同储能容值下激光起爆试验

设定超级电容激光起爆装置放电电压为5 V，激光额定输出脉宽为830 µs，采用表1所列7种不同容值的超级电容分别对激光输出特性和激光起爆性能进行研究。

利用Mulitisim电路仿真软件对基于超级电容驱动的激光输出时域模型数值仿真，其结果及试验结果如图3所示。从图3中可以看出，仿真结果（图3a）与试验结果(图3b)一致性较好。求解相同容值驱动条件下激光输出脉宽仿真结果与试验结果，二者相差均小于4.2%，数值仿真结果基本可反映不同容值下超级电容驱动激光输出特性。激光功率幅值随脉冲工作时间呈指数降低，容值越大，激光功率下降幅度越缓慢；激光功率峰值均处于前沿附近，即在脉冲形成的前期激光功率达到最高而后逐步下降；激光输出脉宽随容值的增大而逐渐增加，当超级电容容值增加到一定数值，储能足以提供额定脉冲工作时间激光器所需能量，激光输出脉宽可达额定输出脉宽。当容值为60 mF和120 mF时，实测激光输出脉宽为830 µs，激光输出功率在全脉宽范围内仅略有下降，基本保持了平顶脉冲波形。当容值为0.44~1 mF时，激光输出功率呈指数显著下降，1 mF时，实测激光脉宽为830 µs，而0.44 mF时激光输出脉宽仅767 µs，储能已不足以支持全脉冲激光输出。当容值继续下降，电容为0.044 mF时，激光输出脉宽仅为80 µs。在相同的放电电压下，激光输出功率随着电容等效电阻的增大而迅速降低，对比60 mF与1 mF电容驱动激光输出峰值功率，虽然60 mF超级电容储能较高，但由于等效电阻较大，其输出峰值功率反而较小。

a. simulation results

b. experiment results

图3 不同容值下超级电容驱动激光输出特性仿真与试验结果

Fig.3 Simulation and experimental results of laser output characteristic driven by super capacitor under different capacitance values

不同容值的超级电容驱动激光输出能量与起爆作用时间如图4所示，表2为激光起爆能量与能量利用率。在放电电压确定的条件下，随着超级电容容值的增加，激光起爆作用时间降低，最大降幅约32.1%，但能量利用效率也随之逐渐降低。当容值较小,在0.044~0.44 mF时，容值对激光起爆性能具有显著影响，容值过小如0.044 mF所能驱动输出的激光能量较低，无法实现激光起爆，而随着容值的逐步上升，起爆作用时间从43 μs迅速降为30.7 μs，激光能量利用效率从29.22%降低为5.86%。而当容值较大，在1~120 mF时，容值对激光作用时间的影响逐渐减弱，激光能量利用效率更为显著的降低，这主要是由于在激光起爆器作用时间内，大容值范围内的超级电容所驱动的激光功率基本保持稳定，容值对BNCP药剂的影响降低，其作用时间的差异主要受超级电容等效电阻R_CS影响，R_CS起爆越小作用时间越快。在放电电压确定的条件下，电容储能容值及等效电阻两因素将共同影响激光起爆器作用时间，存在较优值，在选择超级电容时应选择容值适中，等效电阻较小的超级电容。

图4 不同容值下超级电容驱动的激光输出能量与起爆作用时间曲线

Fig.4 Curves of laser output energy and initiation action time driven by super capacitor under different capacitance values

表2 不同容值下超级电容驱动的激光起爆能量及能量利用率

Table 2 The laser initiation energy and energy utilization rate driven by super capacitor under different capacitance values

C / mF	E0 / mJ	Ed / mJ	ηd / %
0.044	0.034	-	-
0.08	0.114	0.037	29.22
0.1	0.201	0.045	19.98
0.44	0.870	0.057	5.86
1	1.925	0.056	2.60
60	2.430	0.043	1.60
120	3.170	0.048	1.36

NOTE: C is the capacitance value. E₀ is laser output energy. E_d is laser initiation energy. η_d is energy utilization rate.

3.2 不同放电电压下激光起爆试验

在电容容值为120 mF，激光输出脉宽为830 µs的试验条件下，超级电容激光起爆装置采用5种不同放电电压对激光输出特性和激光起爆性能进行研究。

利用Mulitisim电路仿真软件对基于超级电容驱动的激光输出时域模型数值仿真,其结果及试验结果如图5所示。从图5可以看出，激光输出功率仿真（图5a）与试验结果(图5b)基本吻合，对比相同放电电压下激光输出功率仿真与试验结果，发现除放电电压为4 V时二者相差12.8%，其余放电电压下二者相差均在6.4%以内。放电电压直接决定激光输出功率，放电电压越高，超级电容驱动激光输出功率越高。当超级电容确定，激光功率输出时域波形基本一致，仅功率幅值随放电电压发生变化，放电电压越高，激光输出功率越高。这主要是因为激光二极管在导通状态下具有结电压U_T，当放电电压较小时，扣除结电压，剩余电压所能驱动的电流较低，进而影响激光功率，当放电电压逐渐升高，激光二极管结电压对驱动电流的影响就逐步降低，进而激光二极管就可以输出更高功率的激光。

a. simulation results

b. experiment results

图5 不同放电电压下超级电容驱动的激光输出波形的仿真与试验结果

Fig.5 Simulation and experimental results of the laser output waveform driven by super capacitor under different discharge voltages

不同放电电压下超级电容驱动激光输出能量与起爆作用时间如图6所示，表3为激光起爆能量与能量利用率。超级电容固定为120 mF，随着放电电压的升高，激光起爆作用时间显著降低，最大降幅达71%，激光起爆能量基本在0.04~0.055 mJ，但能量利用效率也随之降低。在3.5~9 V放电电压范围内，放电电压对起爆作用时间具有显著影响，而当放电电压高于9 V，放电电压对起爆作用时间的影响逐渐减弱，但起爆作用时间仍然随着放电电压的增加而降低，能量利用效率达到最低。这主要是由于随着放电电压的升高，激光输出功率显著增加，为BNCP提供了更多的激光能量，加速了作用过程，但较高的放电电压也必然引起激光能量利用效率的降低。

图6 不同放电电压下超级电容驱动的激光输出能量与起爆作用时间曲线

Fig.6 Curves of laser output energy and initiation action time driven by super capacitor under different discharge voltages

表3 不同放电电压下超级电容驱动的激光起爆能量及能量利用效率

Table 3 The laser initiation energy and energy utilization rate driven by super capacitor under different discharge voltages

U / V	E0 / mJ	Ed / mJ	ηd / %
3.5	1.120	0.041	3.67
4	1.680	0.040	2.39
5	3.170	0.048	1.52
9	9.360	0.045	0.48
13.5	14.910	0.054	0.36

4 结 论

（1）建立并数值仿真了具有激光上升沿时域特征的超级电容驱动的激光输出时域模型，模型数值仿真结果与试验结果有较好的一致性，初步揭示了基于超级电容驱动激光二极管时域输出规律。

（2）放电电压决定激光输出功率，放电电压越高，超级电容驱动激光输出激光功率越高；激光起爆作用时间随着放电电压的增高而显著降低，降幅最大约71%，激光起爆能量稳定在0.037~0.057 mJ，能量利用率随放电电压升高而快速降低，当放电电压大于9 V时，起爆作用时间降幅逐渐减缓。

（3）超级电容的储能容值决定激光输出能量，容值越大超级电容驱动激光输出能量越大；激光起爆作用时间随容值的增高而降低，降幅最大约32.1%，激光起爆能量稳定在0.04~0.05 mJ，能量利用率随容值的增高而降低，当容值大于1 mF，激光起爆时间基本稳定。120 mF电容驱动激光起爆作用时间最短为14.8 µs，可实现半导体激光快速起爆。

参考文献