CN106093013B - 激光诱导产生等离子体墙屏蔽冲击波传播的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种激光诱导产生等离子体墙屏蔽冲击波传播的装置和方法，属于冲击波屏蔽防护技术领域。该装置包括由YAG激光器、透镜组成的入射单元，由成像透镜、滤波片、干涉滤波片组成的信号接收单元，由平凹透镜，平凸透镜组成的扩束系统，由反射镜、聚焦透镜及笼式系统组成的光束爬高系统，由半波片、格兰棱镜、平凹‑‑凸透球面镜组成的等离子体墙可控产生系统，由延时触发器组成的时间控制系统。该装置能清晰观察等离子体墙屏蔽冲击波的时空演化过程以及冲击波波前畸变甚至破碎现象。本装置结构简单，等离子体屏蔽冲击波传播效果明显，具有较好的可移动性和操作性，本发明将在冲击波的屏蔽防护技术领域得到长足发展。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用激光诱导产生等离子体墙屏蔽冲击波传播的装置和方法，属于冲击波的屏蔽防护技术领域。
背景技术
近年来，意外爆炸给人们的生命财产带来了巨大的损失，在爆炸过程中往往都伴随着碎片和冲击波的扩散，其中碎片可以用装甲门或防弹衣挡住，但它们对冲击波传播的屏蔽效果是有限的。冲击波（shock wave）是一种在介质中传播的不连续峰，导致介质中压强、温度、密度等物理性质发生跳跃式改变。无论是化学性爆炸还是物理性爆炸，都会形成强大的空气冲击波向四周运动，以高压作用在障碍物上，给目标造成很大的冲量和超压，使目标遭受到不同程度的破坏[Journal of Trauma and Acute Care Surgery, 1996, 40(3S): 105S-110S]，所以冲击波屏蔽防护研究对国防和工程应用都具有重要意义。最近，波音公司通过电磁弧减弱冲击波的方法和体系，然而这种技术尚且存在一定的局限性，对于高强度爆炸产生的冲击波效果也是有限的[http://mt.sohu.com/20150325/n410290510.shtml]。随着高能激光技术的发展，激光诱导产生的冲击波对材料的破坏效应具有应用可能，因此若要实现对高强度爆炸产生的冲击波的屏蔽防护，利用激光产生的等离子体墙屏蔽冲击波的传播将成为发展趋势；
本发明提出利用脉冲激光诱导产生的等离子体墙屏蔽冲击波传播，采用阴影成像诊断技术, 通过分析等离子体墙与冲击波的碰撞在时间上和空间上的演化过程发现，等离子体与冲击波发生作用，出现冲击波波前畸变甚至破碎现象，存在等离子体屏蔽冲击波过程。
发明内容
为了解决爆炸产生冲击波的扩散对人们的生命财产造成巨大损失的问题，本发明提供了一种利用激光产生的等离子体墙屏蔽冲击波的传播的防护装置和方法，包括纳秒激光器1、纳秒激光器2、纳秒激光器3、半波片4、格兰棱镜5、扩束系统（平凹透镜6和平凸透镜7）、柱面透镜8、扩束系统（平凹透镜9和平凸透镜10）、成像透镜11、滤光系统（滤波片12和干涉滤波片13）、CCD相机14、 计算机15、爬高系统（全反镜（三个）16、聚焦透镜17）、延时触发器（两个）18；其中纳秒激光器1在其输出光束的光轴上依次与半波片4、格兰棱镜5、扩束系统（平凹透镜6和平凸透镜7）、柱面透镜8链接；其中纳秒激光器2在其输出光束的光轴上依次与全反镜（三个）16、聚焦透镜17连接；其中纳秒激光器3在其输出光束的光轴上依次与平凹透镜9、平凸透镜10、成像透镜11、滤波片12、干涉滤波片13、CCD相机14链接；延时触发器（两个）18、分别与纳秒激光器1、纳秒激光器2、纳秒激光器3、CCD 相机14、链接；CCD相机14与计算机15链接；
纳秒激光器1采用的是中心波长1064nm、脉宽10ns、重复频率10Hz、光斑直径8mm的调Q Nd：YAG激光器，输出的脉冲激光作为主脉冲；纳秒激光器2采用的是中心波长1064nm、脉宽10ns、重复频率10Hz、光斑直径8mm的调Q Nd：YAG激光器，输出的脉冲激光作为次脉冲；纳秒激光器3采用的是中心波长532nm、脉宽8ns、重复频率10Hz的调Q Nd：YAG激光器，输出的脉冲激光作为探测光；
由半波片4、格兰棱镜5构成的能量改变系统，用来改变主脉冲激光的脉冲能量；
由平凸透镜9平凹透镜10构成的激光扩束系统，使光束直径扩大10倍；
由滤波片12干涉滤波片13成的滤光系统，其用来过滤特定波段以外的杂散光；
由全反镜（三个）16聚焦透镜17成的爬高系统，其用来形成由上到下垂直入射的激光脉冲；
利用激光产生的等离子体屏蔽冲击波传播的装置屏蔽过程如下：
由上述的纳秒激光器1发出的脉冲激光作为主脉冲，通过半波片4、格兰棱镜5、扩束系统（平凹透镜6和平凸透镜7）、柱面透镜8产生等离子体墙。纳秒激光器2发出的脉冲激光经过爬高系统，形成由上到下垂直入射的激光脉冲，诱导击穿空气产生冲击波，由于等离子体墙对冲击波的吸收屏蔽作用，会出现等离子体墙屏蔽冲击波传播现象。纳秒激光器3输出532nm脉冲激光作为探测光，经过扩束系统（平凹透镜9和平凸透镜10）将光斑扩大数倍后以垂直激光诱导击穿空气的方向照射在等离子体墙屏蔽冲击波区域上，经过成像透镜11和滤光系统（滤波片12和干涉滤波片13）成像在CCD相机14内，CCD相机14将数据传输给计算机进行处理和分析。
附图说明
图1是本发明利用激光产生的等离子体墙屏蔽冲击波传播的装置结构图；
图2是本发明笼式爬高系统结构图；
图3是本发明滤光系统结构图；
图4是本发明等离子体墙可控结构系统图；
图5是本发明装置及方法下等离子体墙屏蔽冲击波的阴影图；
图6是本发明利用激光产生的等离子体屏蔽冲击波传播的装置和方法的流程图。
具体实施方式
本发明是一种利用激光诱导产生的等离子体墙屏蔽冲击波传播的装置和方法，如图1、图2、图3、图4所示为该发明装置图，包括纳秒激光器1、纳秒激光器2、纳秒激光器3、半波片4、格兰棱镜5、扩束系统（平凹透镜6和平凸透镜7）、柱面透镜8、扩束系统（平凹透镜9和平凸透镜10）、成像透镜11、滤光系统（滤波片12和干涉滤波片13）、CCD相机14、 计算机15、爬高系统（全反镜（三个）16、聚焦透镜17）、延时触发器（两个）18；
纳秒激光器1采用的是中心波长1064nm、脉宽10ns、重复频率10Hz、光斑直径8mm的调Q Nd：YAG激光器，输出的脉冲激光作为主脉冲，其产生的纳秒激光脉冲经过半波片4、格兰棱镜5、扩束系统（平凹透镜6和平凸透镜7）、柱面透镜8，形成等离子体墙；
纳秒激光器2采用的是中心波长1064nm、脉宽10ns、重复频率10Hz、光斑直径8mm的调Q Nd：YAG激光器，输出的脉冲激光作为次脉冲，其产生的纳秒激光脉冲经过爬高系统（全反镜（三个）16、聚焦透镜17）形成由上到下垂直入射的激光脉冲，产生冲击波；
纳秒激光器3采用的是中心波长532nm、脉宽8ns、重复频率10Hz的调Q Nd：YAG激光器，其产生的纳秒激光脉冲经过扩束系统（平凹透镜9和平凸透镜10），以垂直激光诱导击穿空气的方向照射在等离子体墙屏蔽冲击波区域上，经过成像透镜11和滤光系统（滤波片12和干涉滤波片13）成像在CCD相机14内，CCD相机14将数据传输给计算机进行处理和分析；
由半波片4、格兰棱镜5构成的能量改变系统，用来改变主脉冲激光的能量；
由平凸透镜9和平凹透镜10连接构成的光斑扩束系统，其使光斑扩大10倍左右；
由半波片4、格兰棱镜5、平凹透镜6、平凸透镜7链接构成的等离子体墙可控结构系统，可控制等离子体墙的厚度和高度；
由滤波片12和干涉滤波片13构成的滤光系统，其中滤波片为中性密度滤波片，干涉滤波片的中心波长为532nm，其用过滤532nm以外的杂散光；
CCD相机14为面阵成像CCD；电脑主机13内装有CCD相机14的图像测量软件；
由全反镜（三个）16和聚焦透镜17组成的爬高系统，其用来形成垂直入射的脉冲激光；
利用Stanford Research System公司的两台数字延时触发器DG645,改变探测光和CCD相机14之间的不同延时，观察等离子体屏蔽冲击波传播的过程图；
所述的操作流程如图6所示。结合硬件操作流程并说明本发明的操作步骤如下：
执行步骤19，开始，装置自检；自检正常，执行步骤20；
执行步骤20，开启纳秒激光器1，纳秒激光器2，纳秒激光器3，产生纳秒激光脉冲；
执行步骤21，经过能量改变系统和爬高系统，形成等离子体墙屏蔽冲击波传播现象；
执行步骤22，同时经过扩束系统（平凸透镜7和平凹透镜8），以垂直激光诱导击穿空气的方向照射在等离子体墙屏蔽冲击波区域上；
执行步骤23，经过成像透镜11和滤光系统（滤波片12和干涉滤波片13）成像在CCD相机14内，CCD相机14将数据传递给计算机，通过使用计算机15得到阴影图；
执行步骤24，结束。
Claims (5)
1.激光诱导产生的等离子体墙屏蔽冲击波传播装置，其特征在于，包括第一纳秒激光器(1)、第二纳秒激光器(2)、第三纳秒激光器(3)、半波片(4)、格兰棱镜(5)、第一平凹透镜(6)、第一平凸透镜(7)、柱面透镜(8)、扩束系统、成像透镜(11)、滤光系统、CCD相机(14)、计算机(15)、爬高系统、聚焦透镜(17)和两个延时触发器(18)；其中，所述扩束系统包括第二平凹透镜(9)和第二平凸透镜(10)；所述滤光系统包括滤波片(12)和干涉滤波片(13)；所述爬高系统由三个全反镜(16)构成；
所述第一纳秒激光器(1)在其输出光束的光轴上依次与半波片(4)、格兰棱镜(5)、第一平凹透镜(6)、第一平凸透镜(7)和柱面透镜(8)连接；
所述第二纳秒激光器(2)在其输出光束的光轴上依次与三个全反镜(16)和聚焦透镜(17)连接；
所述第三纳秒激光器(3)在其输出光束的光轴上依次与第二平凹透镜(9)、第二平凸透镜(10)、成像透镜(11)、滤波片(12)、干涉滤波片(13)和CCD相机(14)连接；
所述的两个延时触发器(18)分别与第一纳秒激光器(1)、第二纳秒激光器(2)、第三纳秒激光器(3)和CCD相机(14)连接；
所述CCD相机(14)与计算机(15)连接；
所述第一纳秒激光器(1)采用的是中心波长1064nm、脉宽10ns、重复频率10Hz和光斑直径8mm的调Q Nd：YAG激光器，输出的脉冲激光作为主脉冲，其产生的纳秒激光脉冲经过半波片(4)、格兰棱镜(5)、第一平凹透镜(6)、第一平凸透镜(7)和柱面透镜(8)，形成等离子体墙；
所述第二纳秒激光器(2)采用的是中心波长1064nm、脉宽10ns、重复频率10Hz和光斑直径8mm的调Q Nd：YAG激光器，输出的脉冲激光作为次脉冲，其产生的纳秒激光脉冲经过爬高系统和聚焦透镜(17)形成由上到下垂直入射的激光脉冲，产生冲击波；
所述第三纳秒激光器(3)采用的是中心波长532nm、脉宽8ns和重复频率10Hz的调Q Nd：YAG激光器，其产生的纳秒激光脉冲经过扩束系统，以垂直烧蚀激光的方向照射在等离子体墙屏蔽冲击波区域上，经过成像透镜(11)和滤光系统成像在CCD相机(14)上，CCD相机(14)的数据传输给计算机进行处理和分析。
2.根据权利要求1所述的激光诱导产生的等离子体墙屏蔽冲击波传播装置，其特征在于，所述第一纳秒激光器(1)采用的是中心波长1064nm、脉宽10ns、重复频率10Hz和光斑直径8mm的调Q Nd：YAG激光器，输出的脉冲激光作为主脉冲，其产生的纳秒激光脉冲经过半波片(4)、格兰棱镜(5)、第一平凹透镜(6)、第一平凸透镜(7)和柱面透镜(8)形成厚度和高度可控的等离子体墙。
3.根据权利要求1所述的激光诱导产生的等离子体墙屏蔽冲击波传播装置，其特征在于，利用阴影成像诊断技术，可清晰的观察到等离子体墙与冲击波的碰撞在时间上和空间上的演化过程，出现冲击波波前畸变甚至破碎现象，存在等离子体墙屏蔽冲击波传播过程。
4.根据权利要求1所述的激光诱导产生的等离子体墙屏蔽冲击波传播装置，其特征在于，第二纳秒激光器(2)采用的是中心波长1064nm、脉宽10ns、重复频率10Hz和光斑直径8mm的调Q Nd：YAG激光器，其产生的纳秒激光脉冲经过爬高系统、聚焦透镜(17)形成由上到下垂直入射的激光脉冲，击穿空气产生可控大小的冲击波且冲击波与等离子体墙的间距可控。
5.根据权利要求1所述的激光诱导产生的等离子体墙屏蔽冲击波传播装置使用纳秒激光器通过扩束系统经柱面透镜产生厚度和高度可控的等离子体墙来屏蔽冲击波的实验方法。
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