CN103226205B - 一种激光等离子体冲击波力学效应的光纤传感测量方法 - Google Patents

Abstract

一种激光等离子体冲击波力学效应的光纤传感测量方法。本测量方法采用高功率密度、短脉冲的飞秒激光辐照靶材，产生高压等离子体冲击波，应用光纤F-P声发射传感探针，搭建用于飞秒激光等离子体在线监测的光纤传感信号解调系统。通过测量激光等离子体冲击波在相同位置不同时间的声学频率与强度信息，获得冲击波的时间历程；通过测量相同时间不同位置微等离子体冲击波的强度信息，获得冲击波的空间分布；同时运用FBG传感技术，采用差动式结构进行温度补偿，研究飞秒激光等离子体冲击波的宏观力学效应。根据本发明的方法进行激光等离子体冲击波力学效应的测量，空间分辨率高、响应速率和灵敏度高，可以提高测量的精度。

Description

一种激光等离子体冲击波力学效应的光纤传感测量方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别涉及一种激光等离子体冲击波力学效应的光纤传感测量方法，主要用于激光与材料作用产生的等离子体冲击波力学效应的测量、分析与处理。

背景技术

激光辐照材料表面时, 由于材料表面对激光的吸收作用,材料表面温度不断升高，当材料表面温度达到汽化温度时,将发生汽化现象。如果烧蚀蒸汽粒子继续吸收激光能量, 蒸汽通过逆韧致辐吸收，使得激光能量大量沉积,蒸汽温度继续升高, 最后将导致蒸汽分子电离, 形成一种高温高压的等离子体。激光与材料相互作用产生的等离子体吸收后续激光能量，体积迅速膨胀，产生逆激光束方向传播的燃烧波（LSCW）或爆轰波（LSDW），最后出现一个非常陡峭的波阵面，形成激光等离子体冲击波。冲击波宏观上表现为一个高温、高压、高密度、高速运动的曲面，其作用过程快，持续时间短，属于脉冲高压作用，可以利用冲击波对金属材料进行激光冲击强化和冲击成型。由于激光冲击波压力峰值范围广，作用时间范围大，激光等离子体冲击波为材料的激光冲击强化处理、激光冲击成型、激光清洗、激光诱导核聚变、激光推进和激光医学等领域提供了新的发展方向。

目前国内外对激光等离子体冲击波力学效应的研究主要集中在理论分析、数值模拟和实验验证三方面。一方面是在靶材的烧蚀机理方面，比如双温模型、修正的双温模型等，缺乏真实描述飞秒激光等离子体冲击波动力学过程的理论模型；一方面是在分析激光等离子体的技术手段方面，比如超速光谱技术、光学多通道分析仪等技术手段，但是，这些技术手段以分子光谱学为主，并不能够较全面监测等离子体冲击波的动力学特性及力学效应；另一方面，在分析激光等离子体冲击波的力学效应的机理及相关检测方法，比如采用压电传感、悬摆和光学干涉等技术方法，采用悬摆法与光电测速法相结合的方法，采用一种基于光偏转的光纤传感器等方法，尽管如此，上述测量方法仍存在技术局限性，比如光学干涉仪光路较复杂，制备困难，测量时容易受到外界因素干扰，稳定性差，光源能量波动、传输与耦合损耗等问题，测量精度有限等等，在飞秒激光微等离子体冲击波的测量上存在困难。

总之，以上技术手段在研究激光等离子体冲击波力学效应上存在一定的局限性，需要探索一种具有高的空间分辨率、响应速率和灵敏度的新技术手段和方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种激光等离子体冲击波力学效应的光纤传感测量方法。利用光纤传感本身具有抗电磁干扰，不易受外界因素影响，稳定性好，测量灵敏度高和精度高，便于组网等优点，同时利用全光纤无胶微结构的探针，光纤F-P声发射探针传感器具有抗电磁干扰、响应频带宽且可调的特点，其尺寸仅125um，可探测飞秒激光等离子体冲击波产生、发展和衰减的时间分布和强度的空间分布，并且采用空分复用的测量方式，使本测量方法可实现对激光等离子体冲击波力学效应的非接触式、高精度、高响应速率、高灵敏度的多点立体式的精确测量。

本发明的技术方案：一种激光等离子体冲击波力学效应的光纤传感测量方法，所用测量仪器包括可调谐半导体激光光源、隔离器、分路器、耦合器、光纤F-P声发射传感探针、飞秒激光器、透镜、靶材、光电信号处理模块、数据采集模块、计算机、悬臂梁、FBG光纤光栅传感器和MOI解调仪；测量方法采用可调谐半导体激光光源作为测量过程中的光源，可调谐半导体激光光源发出的光经过光隔离器，再通过分路器分成6路光信号，通过耦合器连接光纤F-P声发射传感探针，6路光纤F-P声发射传感探针采用空分复用的方式接入光路；飞秒激光器产生的飞秒激光束通过透镜辐照靶材，产生高压激光等离子体冲击波；6路光纤F-P声发射传感探针采用空分复用的方式将探测到激光等离子体冲击波的声信号通过耦合器、分路器送入光电信号处理模块，经过处理后送入数据采集模块；通过计算机对采集到的信号进行分析处理，以测量飞秒激光等离子体冲击波在相同位置不同时间的声学频率与强度信息，获得冲击波的时间历程；通过测量相同时间不同位置等离子体冲击波的强度信息，获得冲击波的空间历程；在所述的悬臂梁上下表面粘贴FBG光纤光栅传感器，运用飞秒激光器的激光光束打在悬臂梁表面上的FBG光纤光栅传感器上，悬臂梁上下表面的FBG产生同样的正应变和负应变，进行温度去敏，从而实现对激光等离子体冲击波力学效应的特性的分析和测量，提高测量的精度。

本发明测量方法中，所述的飞秒激光器为LS-IF-FW-C-401型飞秒激光微加工系统，该飞秒激光器具有超短脉冲激发、峰值功率高、多光子吸收等特点，能够对所有材料可吸收和分解，包括金属、树脂、陶瓷、玻璃、单晶体等。

本发明测量方法中，所述的光纤F-P声发射探针采用全光纤无胶微结构，其中毛细玻璃管的外径尺寸与光纤相同，毛细玻璃管与光纤熔接，将毛细玻璃管长度减短至50um，然后将薄的石英晶体膜片熔接到毛细玻璃管端面上，探针传感器的敏感元件为石英晶体膜片。该光纤F-P声发射传感探针具有抗电磁干扰、响应频带宽且可调的特点，其尺寸仅125um，具有更高的灵敏度和测量精度，可探测飞秒激光等离子体冲击波产生、发展和衰减的时间分布和强度的空间分布，可测量飞秒激光等离子体冲击波面微弱声发射高频信号。

本发明测量方法中，测量方法采用空分复用方式进行测量，实现实时、多点立体式、分布式在线测量。

本发明测量方法中，可调谐半导体激光光源选用Santec公司生产的TUNABLE SEMICONDUCTOR LASER TSL-510型高稳定性光源，保证测量装置中的光源的稳定性。

本发明测量方法中，所述的光电信号处理模块选用光电转换电路连接信号放大电路然后通过滤波电路构成高灵敏度光电信号处理器。该模块具有高灵敏度的特性，用于对接收光纤输出的光进行光电转换，产生相应的电压。

本发明测量方法中，所述的数据采集模块为NI高速数据采集模块，具有多通道，可实现对多路光纤传感器探测的信号进行同时采集，用于采集光电信号处理模块输出的电压，并通过A/D装换将得到的电信号输出到计算机。

本发明的突出优点是：

（1）利用高功率密度、短脉冲（飞秒）的激光微加工系统辐照靶材产生高压冲击波，冲击波压力可达数万个大气压，靶材变形小、时间短、无污染、对测量基本无干扰。

（2）飞秒激光诱导产生高压冲击波，指向性好、光斑小（数十微米），便于光纤传感探针对冲击波的声学信号的测量。

（3）光纤传感器采用光纤F-P声发射探针型传感器，探针采用全光纤无胶微结构，具有更宽的响应频率，更高的灵敏度。

（4）利用成熟的FBG传感技术进行相关传感信号的标定。运用水作为约束层，运用飞秒激光器的激光光束打在悬臂梁上，悬臂梁上下表面的FBG产生同样的正应变和负应变，进行温度去敏，实现测量的精度的提高。

（5）工作效率高。可采用低能量（数百毫焦）的飞秒激光器来烧蚀靶材，其重复频率可达上百赫兹。

附图说明

 图1是实现本发明的测量装置示意图；

 图2 是以水为约束层的FBG传感测量装置；

图3是光纤F-P声发射探针型传感器结构图；

图中：1-可调谐半导体激光光源，2-隔离器，3-分路器，4-耦合器，5-光纤F-P声发射传感探针，6-飞秒激光器，7-透镜，8-靶材，9-光电信号处理模块，10-数据采集模块，11-计算机，12-悬臂梁，13-FBG光纤光栅传感器，14-MOI解调仪，15-光纤，16-毛细玻璃管，17-石英晶体膜片。

具体实施方式

根据弹性力学理论，参考相关PZT声发射器件设计原理，在模拟分析的基础上设计并制作光纤F-P声发射传感探针，其结构中，毛细玻璃管与光纤熔接，将毛细玻璃管长度减短至50um，然后将薄的石英晶体膜片熔接到毛细玻璃管端面上，探针传感器的敏感元件为石英晶体膜片。为了使传感器既能够响应高的频率又有高的灵敏度，申请人将传感头制备成探针，通过减小振动膜片质量到0.048ug,提高传感器的响应频率；通过将薄敏感膜片的厚度减少到5um，提高传感器的灵敏度；为了降低温度对传感器性能影响，探针采用全光纤无胶微结构。该传感探针可测量飞秒激光等离子体冲击波面微弱声发射高频信号。

考虑到等离子体冲击波的主要信号为高频信号，通过检测反射光干涉信号强度变化进行信号解调。提高测量精度的途径是：采用Santec公司生产的TUNABLE SEMICONDUCTOR LASER TSL-510型高稳定性可调谐半导体激光作为光源；采用课题组自行设计的光电转换电路、信号放大电路以及滤波电路构成的高灵敏度光电信号处理器作为高灵敏度光电信号处理模块进行相关信号处理；采用NI高速数据采集模块进行数据采集，相关数据通过计算机处理，该测量装置见图1。采用可调谐半导体激光光源1作为测量过程中的光源，可调谐半导体激光光源1发出的光经过光隔离器2，再通过分路器3分成6路光信号，通过耦合器4连接光纤F-P声发射传感探针5，该6路光纤F-P声发射传感探针5采用空分复用的方式接入光路；高功率密度、短脉冲的飞秒激光器6产生的飞秒激光束通过透镜7辐照靶材8，产生高压激光等离子体冲击波；6路光纤F-P声发射传感探针5采用空分复用的方式将探测到激光等离子体冲击波的声信号通过耦合器4、分路器3送入光电信号处理模块9，经过处理后送入数据采集模块10；通过计算机11对采集到的信号进行分析处理，可测量飞秒激光等离子体冲击波在相同位置不同时间的声学频率与强度信息，获得冲击波的时间历程；通过测量相同时间不同位置微等离子体冲击波的强度信息，获得冲击波的空间历程。

在采用光纤F-P声发射传感探针监测约束介质中等离子体冲击波强度进展信息时，采用图2所示的FBG传感系统测量飞秒激光等离子体冲击波宏观应力，利用其对光纤F-P声发射传感探针监测到的相关信号进行标定，找到这些信号与冲击波宏观应力的对应关系。在悬臂梁12上下表面粘贴FBG光纤光栅传感器13，运用飞秒激光器6的激光光束打在悬臂梁12上的FBG光纤光栅传感器13上，悬臂梁上下表面的FBG产生同样的正应变和负应变，上下两个FBG的中心波长将向相反方向移动,利用两光栅中心波长的差值求解外界压力变化,通过MOI解调仪14连接到计算机11进行观察，温度引起FBG中心波长的变化将作为共模信号被剔除掉，从而提高测量的精度。

Claims (4)

1.一种激光等离子体冲击波力学效应的光纤传感测量方法，其特征在于：所用测量仪器包括可调谐半导体激光光源（1）、隔离器（2）、分路器（3）、耦合器（4）、光纤F-P声发射传感探针（5）、飞秒激光器（6）、透镜（7）、靶材（8）、光电信号处理模块（9）、数据采集模块（10）、计算机（11）、悬臂梁（12）、FBG光纤光栅传感器（13）和MOI解调仪（14）；测量方法采用可调谐半导体激光光源（1）作为测量过程中的光源，可调谐半导体激光光源（1）发出的光经过光隔离器（2），再通过分路器（3）分成6路光信号，通过耦合器（4）连接光纤F-P声发射传感探针（5），6路光纤F-P声发射传感探针（5）采用空分复用的方式接入光路；飞秒激光器（6）产生的飞秒激光束通过透镜（7）辐照靶材（8），产生高压激光等离子体冲击波；6路光纤F-P声发射传感探针（5）采用空分复用的方式将探测到激光等离子体冲击波的声信号通过耦合器（4）、分路器（3）送入光电信号处理模块（9），经过处理后送入数据采集模块（10）；通过计算机（11）对采集到的信号进行分析处理，以测量飞秒激光等离子体冲击波在相同位置不同时间的声学频率与强度信息，获得冲击波的时间历程；通过测量相同时间不同位置等离子体冲击波的强度信息，获得冲击波的空间历程；在悬臂梁（12）上下表面粘贴FBG光纤光栅传感器（13），运用飞秒激光器（6）的激光光束打在悬臂梁（12）表面上的FBG光纤光栅传感器（13）上，悬臂梁上下表面的FBG产生同样的正应变和负应变，进行温度去敏，从而实现对激光等离子体冲击波力学效应的特性的分析和测量，提高测量的精度；

所述的光纤F-P声发射传感探针采用全光纤无胶微结构，其结构中毛细玻璃管（16）的外径尺寸与光纤（15）相同，毛细玻璃管（16）与光纤（15）熔接，将毛细玻璃管（16）的长度减短至50um，然后将薄的石英晶体膜片（17）熔接到毛细玻璃管（16）端面上，光纤F-P声发射传感探针（5）的敏感元件为石英晶体膜片（17）。

2.如权利要求1所述的一种激光等离子体冲击波力学效应的光纤传感测量方法，其特征在于：可调谐半导体激光光源采用Santec公司生产的TUNABLE SEMICONDUCTOR LASER TSL-510型高稳定性光源。

3.如权利要求1所述的一种激光等离子体冲击波力学效应的光纤传感测量方法，其特征在于：所述的光电信号处理模块选用光电转换电路连接信号放大电路然后通过滤波电路构成高灵敏度光电信号处理器。

4.如权利要求1所述的一种激光等离子体冲击波力学效应的光纤传感测量方法，其特征在于：所述的数据采集模块为NI高速数据采集模块。