CN104237124B - 固壁面上毫米级空泡半径和周期的同步探测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光电探测领域，其公开了一种高效的可对固壁面上毫米级空泡的最大泡半径和脉动周期进行同步探测的方法。该方法依据光束偏转原理，采用由激光光源与光学元件组合形成的光斑形状为“一字线”且光强分布较为均匀的光束作为探测光，对固壁面上毫米级空泡进行探测。探测光信号通过光电倍增管转化为电信号，并由示波器示出。对示波器得到的数据进行分析，即可同时得到空泡的半径和脉动周期信息。本发明实现了通过单次测量对同一空泡半径与脉动周期信息的提取，方法简单且高效。

Description

固壁面上毫米级空泡半径和周期的同步探测装置及方法

技术领域

本发明属于光电探测领域，特别是固壁面上毫米级空泡最大泡半径和脉动周期的探测装置及其探测方法。

背景技术

空泡现象开始为人们所关注是由于其对于固壁面的破坏作用，这种特性吸引了许多学者对其展开了一系列的研究，并成功地将其应用于许多领域，包括空泡表面清洗、空泡——生物组织相互作用、激光水下推进等。空泡的最大泡半径和脉动周期作为空泡的基本量，前者能够表征空泡的能量以及溃灭程度，后者能够反映空泡的演变特性，因而在固壁面附近空泡的研究领域中对空泡的最大泡半径和脉动周期进行探测显得尤为重要。固壁面附近空泡的探测方法主要可以分为两类，一种是采用摄影技术获取空泡的影像，从影像序列中提取最大半径，如高速摄影方法。然而采用这种方法准确测量空泡的最大泡半径和周期需要较高帧率的高速摄影机，成本高昂。另一种方法则以激光光束为基础探测手段，分析受空泡扰动的光束来提取空泡的半径信息，如光偏转探测方法、Mie散射探测。这类方法结构简单，易操作且花费少。

2004年陈笑等人提出了一种基于光束偏转法的固壁面上空泡最大泡半径和脉动周期的探测方法。该方法利用探测光在经过空泡时由于介质折射率改变从而发生偏转的特性，通过对空泡中心位置进行单次探测，即可得到空泡的周期信息。而在测量空泡最大泡半径时，该方法需要对空泡的不同位置进行探测，分析偏转光在空泡生命周期中的波形，同特征信号对比，得到空泡的半径信息；在此基础上，再经过多次重复测量，对某个探测位置上记录到的偏转光波形中出现最大半径的特征信号概率为50％时作为空泡的最大半径估计值。该方法主要有两个弊端，一是需要在每个测量点做大量的重复测量，这对空泡的可重复性要求很高，同时后期的分析工作量巨大；二是得到的空泡最大泡半径是基于概率的估计值，依然可能存在较大误差。为此，李贝贝等人于2011年对此方法进行了改进，减小了工作量，提高了测量值的精度，然而其改进后的方法依然需要进行多次测量，且测量得到的空泡最大泡半径依然是基于概率的估计值。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效的固壁面上毫米级空泡最大泡半径和脉动周期的同步探测装置及其探测方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种固壁面上毫米级空泡半径和周期的同步探测装置，包括探测光束激光器、可将激光光束扩束n倍的凹凸透镜组、第一可调光学狭缝、第二可调光学狭缝、聚焦透镜、干涉滤波片、多维光纤定位器、光偏转探测系统用多维平移台、光纤、光电倍增管、示波器、具备能透射探测光窗口的容器、含固壁面的物体；

其中探测光束激光器、凹凸透镜组、第一可调光学狭缝、第二可调光学狭缝、聚焦透镜、干涉滤波片、多维光纤定位器在探测光束发射方向上依次同轴设置在光偏转探测系统用多维平移台上，具备能透射探测光窗口的容器位于第二可调光学狭缝和聚焦透镜之间；含固壁面的物体固定在具备能透射探测光窗口的容器中，光纤的一端固定在多位光纤定位器上，另一端作为光电倍增管的输入端，光电倍增管的输出端与示波器相连；第一可调光学狭缝的缝隙中线垂直于含固壁面物体的固壁面，且与第二可调光学狭缝的缝隙中线以及探测光束激光器的发射方向两两垂直。

一种基于上述探测装置的固壁面上毫米级空泡半径和周期的同步探测装置的探测方法，包括以下步骤：

步骤1、利用探测光束激光器与可将激光光束扩束n倍的凹凸透镜组，产生光斑直径大于物体固壁面上产生的最大空泡半径的2倍的探测光束；其中n为大于1的正整数；

步骤2、在确保含固壁面的物体没有遮挡住探测光束的情况下，调节各器件使探测光束激光器、凹凸透镜组、第一可调光学狭缝、第二可调光学狭缝、聚焦透镜、干涉滤波片以及固定于多维光纤定位器上的光纤端口同轴等高，并保证第一可调光学狭缝、第二可调光学狭缝没有遮挡住探测光束；

步骤3、在确保没有发生光学衍射的前提下，缩小第一可调光学狭缝的缝隙宽度，使通过该可调光学狭缝的光束最细；

步骤4、在第二可调光学狭缝的缝隙宽度不小于固壁面上产生的最大空泡半径的前提下缩小该光学狭缝的缝隙宽度，直至产生光强分布均匀的“一字线”探测光束，此时第二可调光学狭缝的缝隙宽度为s；

步骤5、调节多位光纤定位器，使得示波器上得到的信号电压最大，记为V_max；

步骤6、完全遮挡住探测光束，此时示波器上得到的信号电压为V_min；

步骤7、调节光偏转探测系统用多维平移台，确保探测光束传播方向与含固壁面物体的固壁面平行；

步骤8、调节光偏转探测系统用多维平移台，使探测光束向含固壁面物体的固壁面移动，同时观测示波器的波形变化，当示波器上的信号电压开始下降时，即为探测光束与含固壁面物体的固壁面接触的临界状态，固定光偏转探测系统用多维平移台；

步骤9、利用空泡产生装置在含固壁面物体的固壁面上产生空泡，记录下示波器中显示的光偏转信号波形V(t)，该空泡的半径变化曲线R(t)可表示为：

$R\left(t\right)=s(1-\frac{V\left(t\right)}{V_{\max }-V_{min}})$

由此，通过R(t)即可得到该空泡的最大泡半径和脉动周期。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明的装置能够对同一个空泡的最大泡半径和脉动周期同时进行探测；2)利用本发明的方法进行探测时，仅需要单次测量即可得到空泡的最大泡半径和脉动周期信息，大大降低了工作量；3)本发明的装置简单可行，适用于对毫米级空泡进行探测。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明采用的可对固壁面上毫米级空泡最大泡半径和脉动周期进行同步探测的光偏转探测系统示意图，其中插图(a)和插图(c)分别为其对应箭头所示位置的探测光束截面图，插图(b)为实线框内虚线圈部分的右视图(视线沿-x轴方向)，插图(d)为实线框中点划线框所示部分的右视图(视线沿-x轴方向)。

图2为实例中通过示波器得到的探测固壁面上毫米级空泡的波形图，其中虚线框住的部分为激光诱导空泡产生过程中，激光光学击穿时辐射出的冲击波所致。

图3为实例中空泡的半径随时间变化的曲线图，其中虚线框住的部分为激光诱导空化泡产生过程中，激光光学击穿时辐射出的冲击波所致，空泡半径随时间变化起于点A所在的时刻。

图4为实例中“一字线”探测光束光强分布均匀性测试图。

图中附图标记及其对应部分为：1为探测光束激光器；2为可将激光光束扩束n倍的凹凸透镜组；3为第一可调光学狭缝；4为第二可调光学狭缝；5为聚焦透镜；6为干涉滤波片；7为多维光纤定位器；8为光偏转探测系统用多维平移台；9为光纤；10为光电倍增管；11为示波器；12为具备能透射探测光窗口的容器；13为含固壁面的物体；14为固壁面上空泡的形状及位置示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明的一种固壁面上毫米级空泡半径和周期的同步探测装置，包括探测光束激光器1、可将激光光束扩束n倍的凹凸透镜组2、第一可调光学狭缝3、第二可调光学狭缝4、聚焦透镜5、干涉滤波片6、多维光纤定位器7、光偏转探测系统用多维平移台8、光纤9、光电倍增管10、示波器11、具备能透射探测光窗口的容器12、含固壁面的物体13；

其中探测光束激光器1、凹凸透镜组2、第一可调光学狭缝3、第二可调光学狭缝4、聚焦透镜5、干涉滤波片6、多维光纤定位器7在探测光束发射方向上依次同轴设置在光偏转探测系统用多维平移台8上，具备能透射探测光窗口的容器12位于第二可调光学狭缝4和聚焦透镜5之间；含固壁面的物体13固定在容器12中，光纤9的一端固定在多位光纤定位器7上，另一端作为光电倍增管10的输入端，光电倍增管10的输出端与示波器11相连；可第一调光学狭缝3的缝隙中线垂直于物体13的固壁面，且与第二可调光学狭缝4的缝隙中线以及探测光束激光器1的发射方向两两垂直。

探测光束激光器1的发射方向平行于物体13的固壁面。

所述探测光束激光器1为波长为632.8nm，光斑直径为2mm的He-Ne激光器。

一种基于上述探测装置的固壁面上毫米级空泡半径和周期的同步探测方法，包括以下步骤：

步骤1、利用探测光束激光器1与可将激光光束扩束n倍的凹凸透镜组2，产生光斑直径大于物体13固壁面上产生的最大空泡半径的2倍的探测光束；其中n为大于1的正整数；

步骤2、在确保含固壁面的物体13没有遮挡住探测光束的情况下，调节各器件使探测光束激光器1、凹凸透镜组2、第一可调光学狭缝3、第二可调光学狭缝4、聚焦透镜5、干涉滤波片6以及固定于多维光纤定位器7上的光纤9的端口同轴等高，并保证第一可调光学狭缝3、第二可调光学狭缝4没有遮挡住探测光束；

步骤3、在确保没有发生光学衍射的前提下，缩小第一可调光学狭缝3的缝隙宽度，使通过该可调光学狭缝的光束最细；

步骤4、在第二可调光学狭缝4的缝隙宽度不小于固壁面上产生的最大空泡半径的前提下缩小该光学狭缝的缝隙宽度，直至产生光强分布均匀的“一字线”探测光束，此时第二可调光学狭缝4的缝隙宽度为s；

步骤5、调节多位光纤定位器7，使得示波器11上得到的信号电压最大，记为V_max；

步骤6、完全遮挡住探测光束，此时示波器11上得到的信号电压为V_min；

步骤7、调节光偏转探测系统用多维平移台8，确保探测光束传播方向与物体13的固壁面平行；

步骤8、调节光偏转探测系统用多维平移台8，使探测光束向物体13的固壁面移动，同时观测示波器11的波形变化，当示波器11上的信号电压开始下降时，即为探测光束与物体13的固壁面接触的临界状态，固定光偏转探测系统用多维平移台8；

步骤9、利用空泡产生装置在物体13的固壁面上产生空泡，记录下示波器11中显示的光偏转信号波形V(t)，该空泡的半径变化曲线R(t)可表示为：

$R\left(t\right)=s(1-\frac{V\left(t\right)}{V_{\max }-V_{min}})$

由此，通过R(t)即可得到该空泡的最大泡半径和脉动周期。

优选的，步骤1中所述探测光束激光器1为波长为632.8nm，光斑直径为2mm的He-Ne激光器。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：

实施实例：

一种基于固壁面上毫米级空泡半径和周期的同步探测装置的空泡半径和周期的同步探测方法，包括以下步骤：

步骤1、根据光偏转探测系统的结构示意图搭建光偏转探测系统。其中探测光束采用He-Ne激光光束(波长632.8nm，光斑直径为2mm)；凹凸透镜组2采用6倍扩束镜；容器12的材料为在波长为632.8nm和1064nm附近透射率较高的光学玻璃，内部装满去离子水；物体13为圆柱体形状的钛质靶材(高6mm，圆面半径为2mm)，固壁面为其中一个圆面；空泡由Nd:YAG激光光束(波长1064nm，脉宽7ns)聚焦于固壁面上产生。

步骤2、在确保钛靶13没有遮挡住探测光束的情况下，调节各器件使He-Ne激光器1、扩束镜2、第一可调光学狭缝3、第二可调光学狭缝4、聚焦透镜5、干涉滤波片6以及固定于多维光纤定位器7上的光纤9的端口同轴等高，并保证第一可调光学狭缝3、第二可调光学狭缝4没有遮挡住探测光束。

步骤3、在确保没有发生光学衍射的前提下，缩小第一可调光学狭缝3的缝隙宽度，使通过该可调光学狭缝的光束最细，本实例中可调光学狭缝3的缝隙宽度最小可调至0.28mm。

步骤4、由于本实例中探测对象空泡最大泡半径一般不会大于4mm，因此我们将第二可调光学狭缝4的缝隙宽度缩小至4mm，记为s＝4mm。

步骤5、调节多位光纤定位器7，使得示波器11上得到的信号电压最大，记为V_max，通过计算机处理示波器信号，可读得V_max＝328.6mV。

步骤6、完全遮挡住探测光束，此时示波器11上得到的信号电压记为V_min，通过计算机处理示波器信号，可读得V_min＝3.98mV。

步骤7、调节光偏转探测系统用多维平移台8，确保探测光束传播方向与钛靶13的固壁面平行；

步骤8、调节光偏转探测系统用多维平移台8，使探测光束向钛靶13的固壁面移动，同时观测示波器11的波形变化，当示波器11上的信号电压开始下降时，即为探测光束与钛靶13的固壁面接触的临界状态，固定光偏转探测系统用多维平移台8。

步骤9、利用Nd:YAG激光光束在钛靶13的固壁面上聚焦产生空泡，记录下示波器11中显示的光偏转信号波形V(t)，如附图2所示；通过以下公式：

$\begin{array}{c}R\left(t\right)=s(1-\frac{V\left(t\right)}{V_{\max }-V_{\min }})\\ =4(1-\frac{V\left(t\right)}{324.62})\end{array}$

即可得到该空泡半径随时间的变化曲线，如附图3所示。通过计算机对其进行处理，可进一步得到该空泡的最大泡半径R_max1＝2.63mm，第一次脉动周期T_os1＝385.2μs，第二次脉动周期T_os2＝184.0μs，第三次脉动周期T_os3＝167.6μs。

本发明所提供的固壁面上毫米级空泡半径和周期的同时探测方法的最主要的前提是产生光强分布均匀的“一字线”探测光束。为了验证通过本发明的探测装置可以产生光强分布均匀的“一字线”探测光束，我们对实例中的探测光束进行检测，办法如下：

在步骤8后，调节光偏转探测系统用多维平移台8，将探测光束向钛靶13的固壁面移动0.1mm。此时，4mm长的探测光束有长度为0.1mm的部分被钛靶遮挡住了，示波器所显示的信号电压值对应于3.9mm宽的探测光束，借助计算机分析记录下此时示波器的示数。再次将探测光束向钛靶13的固壁面移动0.1mm，借助计算机分析记录下此时示波器的示数。循环此步骤，直至探测光束完全被钛靶挡住。将探测光束未被遮挡部分的长度记为X，即可得到探测光束未被遮挡部分长度X与示波器接收到的信号电压的关系图，如附图4所示。

可以看到，探测光束未被遮挡部分长度X与示波器接收到的信号电压Voltage几乎呈现线性的关系，这表明本实例中所用的“一字线”探测光束的光强分布较为均匀，进一步表明本发明的对固壁面上毫米级空泡半径和周期进行同步探测的方法是可行的。

Claims (5)

1.一种固壁面上毫米级空泡半径和周期的同步探测装置，其特征在于，包括探测光束激光器(1)、可将激光光束扩束n倍的凹凸透镜组(2)、第一可调光学狭缝(3)、第二可调光学狭缝(4)、聚焦透镜(5)、干涉滤波片(6)、多维光纤定位器(7)、光偏转探测系统用多维平移台(8)、光纤(9)、光电倍增管(10)、示波器(11)、具备能透射探测光窗口的容器(12)、含固壁面的物体(13)；

其中探测光束激光器(1)、凹凸透镜组(2)、第一可调光学狭缝(3)、第二可调光学狭缝(4)、聚焦透镜(5)、干涉滤波片(6)、多维光纤定位器(7)在探测光束发射方向上依次同轴设置在光偏转探测系统用多维平移台(8)上，具备能透射探测光窗口的容器(12)位于第二可调光学狭缝(4)和聚焦透镜(5)之间；含固壁面的物体(13)固定在容器(12)中，光纤(9)的一端固定在多位光纤定位器(7)上，另一端作为光电倍增管(10)的输入端，光电倍增管(10)的输出端与示波器(11)相连；第一可调光学狭缝(3)的缝隙中线垂直于物体(13)的固壁面，且与第二可调光学狭缝(4)的缝隙中线以及探测光束激光器(1)的发射方向两两垂直。

2.根据权利要求1所述的固壁面上毫米级空泡半径和周期的同步探测装置，其特征在于，探测光束激光器(1)的发射方向平行于物体(13)的固壁面。

3.根据权利要求1所述的固壁面上毫米级空泡半径和周期的同步探测装置，其特征在于，所述探测光束激光器(1)为波长为632.8nm，光斑直径为2mm的He-Ne激光器。

4.一种基于权利要求1所述固壁面上毫米级空泡半径和周期的同步探测装置的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、利用探测光束激光器(1)与可将激光光束扩束n倍的凹凸透镜组(2)，产生光斑直径大于物体(13)固壁面上产生的最大空泡半径的2倍的探测光束；其中n为大于1的正整数；

步骤2、在确保含固壁面的物体(13)没有遮挡住探测光束的情况下，调节各器件使探测光束激光器(1)、凹凸透镜组(2)、第一可调光学狭缝(3)、第二可调光学狭缝(4)、聚焦透镜(5)、干涉滤波片(6)以及固定于多维光纤定位器(7)上的光纤(9)的端口同轴等高，并保证第一可调光学狭缝(3)、第二可调光学狭缝(4)没有遮挡住探测光束；

步骤3、在确保没有发生光学衍射的前提下，缩小第一可调光学狭缝(3)的缝隙宽度，使通过该第一可调光学狭缝的光束最细；

步骤4、在第二可调光学狭缝(4)的缝隙宽度不小于固壁面上产生的最大空泡半径的前提下缩小该第二可调光学狭缝的缝隙宽度，直至产生光强分布均匀的“一字线”探测光束，此时第二可调光学狭缝(4)的缝隙宽度为s；

步骤5、调节多位光纤定位器(7)，使得示波器(11)上得到的信号电压最大，记为V_max；

步骤6、完全遮挡住探测光束，此时示波器(11)上得到的信号电压为V_min；

步骤7、调节光偏转探测系统用多维平移台(8)，确保探测光束传播方向与物体(13)的固壁面平行；

步骤8、调节光偏转探测系统用多维平移台(8)，使探测光束向物体(13)的固壁面移动，同时观测示波器(11)的波形变化，当示波器(11)上的信号电压开始下降时，即为探测光束与物体(13)的固壁面接触的临界状态，固定光偏转探测系统用多维平移台(8)；

步骤9、利用空泡产生装置在物体(13)的固壁面上产生空泡，记录下示波器(11)中显示的光偏转信号波形V(t)，该空泡的半径变化曲线R(t)可表示为：

$R\left(t\right)=s(1-\frac{V\left(t\right)}{V_{\max }-V_{\min }})$

由此，通过R(t)即可得到该空泡的最大泡半径和脉动周期。

5.根据权利要求4所述的探测方法，其特征在于，步骤1中所述探测光束激光器(1)为波长为632.8nm，光斑直径为2mm的He-Ne激光器。