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1计划类别：现代装备制造指南代码：060110苏州市科技计划项目申报书（科技支撑计划—工业）项目名称：车载便携式光纤激光微声切割破障系统承担单位：苏州轻舟科技有限责任公司武警苏州市支队单位地址：苏州市平江区景德路410号邮编：215006项目负责人：江鹰电话：13862134444主管部门：苏州市平江区科技局申报日期：2009年05月18日苏州市科学技术局二ΟΟ九年制2一、立项依据在四川汶川大地震后，传统的抢险破障设备，无可避免的会在破障碍过程中产生振动，而振动有可能造成二次坍塌，由此造成的生命财产损失让我们觉得心头十分的沉重。如何设计制造出一种可以多角度自由灵活、无振动的破障设备？为以后的抢险营救工作添一份安全保障，我们一直在思考着。对于室内挟持人质，如何在不被犯罪分子发觉的前提下，迅速潜入，制服罪犯？一直是国内外反恐专家研究的一个重大课题。而光纤激光器切割的无声效果为本系统在反恐怖以及军事上的应用，提供了可能。我们在比较了等离子切割、咖玛射线切割、高压水束切割，超声波切割以及各种机械方法切割的优缺点之后,确定激光切割法作为本项目的支撑点。查找了国内外气体激光器、固体激光器和光纤激光器有关文献资料。确定了光纤激光器为支撑条件。目前光纤激光器已经开始应用到了各个领域，包括光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻激光打标机激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔/切割/焊接（铜焊、淬水、包层以及深度焊接）、军事国防安全、医疗器械仪器设备、大型基础建设等。“十一五”期间，我国光纤激光器市场年需求超过5000台，此前，我国商用脉冲光纤激光器全部依赖进口，国外在高功率光纤激光器方面对中国实行禁运。2008年12月4日，由武汉华工激光工程有限责任公司研制成功的25W脉冲光纤激光器、100W连续光纤激光器系列产品，正式通过科技成果鉴定。由我国激光界著名科学家姚建铨院士、刘颂豪院士、李鸿志院士等组成的专家小组认为，此套系列产品标志着我国在高性能固体激光器领域掌握了核心技术，打破我国在此领域长期依赖进口的局面。3这此形势下，我们认为无声破障系统研发的各先决条件已经基本成熟，可以开展研发工作。二、研究内容本课题拟利用激光束对墙体进行垂直切割，切割范围为：600-1500mm。激光切割的原理是利用聚焦的高功率密度激光束照射目标件,使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃烧。同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，实现将目标件割开。激光切割属于热切割方法之一。激光切割墙壁是属于激光划片与控制断裂切割的一种,把高能激光束在脆性材料表面进行扫描,使材料受热蒸发出一条小条,然后施加一定压力,材料会沿小槽处裂开.控制断裂是利用激光刻槽时产生的温度分布,在材料中产生局部热应力,使材料沿小槽断开。激光切割的特点是速度快、效率高、时间短,非接触式且可由机器人自动操作.可按事先编程按时完成，且操作无声.这是其他方法无可比拟的.如上所述切割墙壁是采用剥落切割法,即设定一次切割深度,一层一层的剥落.最后一层的厚度以及剥落面积都可按事先编好的程序进行。破墙机器人所用激光器可以是光纤激光器,CO2激光器和传统固体激光器。传统的CO2激光器及固体激光器体积大效率低，光学系统怕震动，不易携带。因此，我们研究噪音低、功率大、可便携的微声切割破墙破障机器人装置，拟使用大功率光纤激光器。系统集成1、激光切割器2、持握激光切割头的机械臂3、墙体厚度超声波测量仪4、穿墙定位雷达5、切割减噪46、控制中心拟解决的技术难点技术难点主要有四点：（1）功率=2000瓦光纤激光器的系统集成。（2）墙体厚度超声波快速测量仪的研制。（3）微声破障系统的减噪。（4）防止误伤的应用研究。（5）PDA自动控制的研究预期达到的目标在苏州市科技局的支持下，在合作单位共同努力下，通过对举重力为50kg的机器人；功率2000瓦光纤激光器；墙体厚度超声波快速测量仪的研究。预期完成“微声破障系统”课题。主要技术指标和水平（1）光纤激光器：功率2000瓦，光束质量BPP4.5mm.mrad；（2）墙体厚度超声波快速测量仪：墙体厚度测量以数字方式显示，测量误差=5mm。（3）光纤激光器的机械操作手臂：与墙面的操作距离为0.5-1m,操作范围为600-1500mm，能进行一定的三维操作。（4）噪声：隔墙声音小于35分贝（5）雷达穿墙定位仪:穿透距离为0.5米,穿透后作用距离15米5三、研究试验方法、技术路线以及工艺流程我们在各个系统分别实验成功后，进行整合。并在现有成熟技术的基础上主要进行改进及深度应用。1.自由度机械手臂机械手是系统的主要部件(如右图),下面简要说明:6自由度机械手臂是由7个精确的伺服马达组成的，共有6个自由度，分别对应于转动基座、臂、肘、前腕、后腕、钳等六个转轴，每个转轴可在±80度的范围内活动，其中肘、前腕、后腕的转动可根据用户需要安装为上下摆动方式或左右摆动方式。手臂的终端配备可灵活张合的机械钳，可拾放激光头,配合控制板按控制软件要求，用户可在PC机上对机械手臂的各个自由度转轴进行精确的定位，并可形成连续的运动、完成各种复杂动作。我们准备在对其进行系统集成后,采用该类型手臂对墙面进行立体切割.可以实现剥落式破墙法.2.墙体厚度超声波快速测量仪墙体厚度超声波快速测量仪的研制.难点是市场上卖的超声波快速测量仪很多,正好合我们要求的没有.超声波6可以钻进墙壁.是利用前壁和后壁反射波的时间差来测量壁厚的.从应用方面,不同的媒质对超声波有耗差别极大,因此,设计一个各种媒质下通用的万能超声波测量仪是不现实的.测量墙头是我们的首创,在硬件和软件方面都要增加许多辅助性功能.这应当说也是个难点.3.穿墙定位雷达该装置可以穿透几种不同的墙壁，穿透后的作用距离约为15米，几乎可以一览无遗地显示出建筑物内的情况，比如平面布置图、房内人的位置以及诸如武器储藏室等用具的分布情况。利用这种装置可以使士兵了解更多的信息，并决定其行动的优先次序。我们现在能够做到二维透视,最终的目标是做到三维立体透视.如右图所示:透视原理：人动则波动波动即有人“雷达示波器”是一种轻便、廉价的单兵侦察装备，具有穿透墙壁探测的功能。它的原理与地质勘探中使用的频率步进雷达比较相似。“雷达示波器”先发射出脉冲信号，这些信号遇到物体反射，由于波源和观测者之间有相对运动，因此产生多普勒效应，根据波频率改变的细微变化，“雷达示波器”便可以勾勒出墙壁那边的情况。简言之，这是一款具有透视能力的移动式探测器。74.功率2000瓦光纤激光器的研制：高功率光纤激光器中的光纤不是普通的通讯光纤，而是掺杂了多种稀有离子、结构更为复杂、耐高辐射的特种光纤---双包层光纤。（图3）1．工作物质-----双包层特种光纤问题及解决方案：⑴单模纤芯由掺镱离子等元素的石英材料构成，作为激光振荡通道；而内包层则由横向尺寸和数值孔径比纤芯大的多、折射率比纤芯小的纯石英材料构成，它是接受多模LD泵浦光的多模光纤；正是因为掺杂激活纤芯和接受多模泵浦光的多模内包层分开，才得以实现了多模光泵浦而单模光输出的可能，从而无形化解了激光功率和光束质量这一矛盾。⑵整个双包层光纤采用D型等结构，旋光效应小，吸收充分，光光转换80%以上。⑶光纤两侧生出无数杈纤，每分衩可与带尾纤的LD无缝耦合形成分点泵浦，可极大地提高输出功率，同时又避免了传统端泵带来的一系列热效应问题。⑷光纤采用比普通玻璃性能更好的石英材料制成，同时掺杂耐高辐射离子，整段光纤可承受高达10,000W的激光能量而不会出现热损伤情况。⑸Yb3+没有激发态吸收，可高浓度掺杂，同时光纤可达几百米，一可大大提高激光增益，二又增大了散热面积；光纤盘在热沉上，简单风冷便可稳定工作。Yb3+的吸收谱比Nd3+要宽10倍，对LD光源模式十分宽松，几乎不受波长图3-2dD形内图包层双包层光纤横剖面纤芯内包层外包层保护层图3二双包层光纤8温漂的影响，可大大转换效率。⑹Yb3+能级为简单的二能级，亚稳态寿命是Nd3+的三倍，小功率泵源就可在激发态积累贮存大量的能量，十分合适在极窄的纤芯内形成高密度的离子数反转，从而可输出稳定的强激光。2．光学谐振腔----光纤光栅问题及解决方案：⑴光纤光栅是利用光纤材料的光敏性：即外界入射光子和纤芯相互作用而引起后者折射率的永久性变化，用紫外激光直接写入法在单模光纤的纤芯内形成的空间相位光栅，其实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。⑵光纤光栅是被刻在纤芯的两端，当激活离子发射出一连续宽带光传输到光栅时，它会有选择地反射回相应的一个窄带光（如1064nm），并沿原传输光纤返回振动；其余杂光则直接透射或发射到光纤外滤掉。⑶光纤光栅是在纤芯本身上刻录的，与光纤连成一体高度融合，不占任何额外体积，无任何插损，不怕任何振动和杂物的侵入。9⑷光纤光栅起着激光选频、反馈和放大的功能，从而巧妙地取代了镜片式传统光学谐振腔，从根本上解决了震动、灰尘和潮湿等引起的一系列光路需调节的烦琐问题。⑸一般的通讯光纤光栅是温度敏感的，要承受高功率激光辐射，则必须采用负膨胀材料封装光纤光栅，把温漂系数控制在0.001nm/oC以下。泵浦系统-----侧面泵浦问题及解决方案：采用杈纤直接熔接耦合进行侧泵，一无需任何光学元件，二可避免损伤光纤端面，三是容易提高泵源的注入。⑴新颖的蜈蚣式侧泵方式：光纤两侧生许多纤杈与LD尾纤直接熔接，从各个不同点进行单个泵浦，可避免强激光单点引起的非线性效应和模式恶化。⑵采用多个高功率LD单管代替LD集成阵列作泵浦源，一可提高光源的模式，二是易于泵源的散热提高寿命，三有利于维修更换。采用发光面很宽的LD（100-250us）作为泵源可大大降低LD发光点所承受的光功率密度提高其寿命，一般可达100,000小时。脉冲光纤激光器既然光纤激光器的谐振腔本身就是一段光纤，所以它不能像传统激光器那样在谐振腔内插入Q开关来实现脉冲输出，因为把光纤谐振腔（就是光纤）拦腰截断插入Q晶体，一会增大插入损耗，二会影响整个激光器的紧凑性而无法实现光纤一体化。所以如何实现光纤激光器的脉冲输出又是一个全新的研究课题。目前比较成熟的技术是采用MOPA（主振动功率放大）技术来实现。杈纤光纤10MO（MasterOscillator）就是主振动器，它其实就是一个功率（10-20mw）很小的激光器，一般可选用波长合适（如1064nm）的LD。小功率LD很容易通过驱动电流来直接调制输出参数，如重复频率、脉宽、脉冲波形以及功率大小，通过尾纤把光脉冲信号串联进PA(PowerAmplifier)---光纤功率放大器进行光脉冲放大。光纤放大器一般只用于光纤通讯，它的原理与光纤激光器十分相似，只不过撤掉了光纤两端的光纤光栅而无法形成激光振动，只起信号放大作用。光纤放大器能严格按照MO耦合近来的种子源光进行原形放大，却不改变激光波长、重复频率、脉宽和脉冲波形。所以脉冲激光器采用MOPA方式，既可得到优良的激光特性，又能大大提高输出激光的亮度。这是传统方式所无法达到的综合效果。从MO出来的光脉冲通过PA放大器时，脉冲的各部位获得的增益会不同：脉冲前沿的增益按指数规律增加，脉冲后部的增益逐渐减少，脉冲后沿增益最小，尤其是如果脉冲信号光很强，或脉宽较宽时，脉冲后沿根本就得不到放大。所以在PA中一般要加上增益平坦器，使得脉冲各部位得到均匀放大（如果入射信号的能量很小或者脉冲很短，整个脉冲可得到均匀放大，而且脉冲形状保持不变）。激光脉冲通过放大器之后，其波形的变化与入射信号脉冲的前沿上升速度有着直接的关系。如果信号光是高斯型脉冲，因脉冲前沿上升比指数还快，所以经过放大后，脉宽可以得到压缩；如果是指数型脉冲，形状和脉宽几乎都不变化；如果输入脉冲前沿上升时间比指数函数更缓慢，则放大后其脉宽会变宽。一般为了获得高功率、窄脉宽的激光脉冲，可以在信号进入放大器之前，采用削波技术切去脉冲的缓慢上升部分，使其脉冲前沿变陡，即能达到压缩脉宽的目的。5、综合分析及预测-n-n-n--n-n-n-LDLDLDLDLDLDMO(1064nm15mw)1064nm20W