CN107271376A - 一种激光空泡萌生阶段行为研究装置与方法 - Google Patents

一种激光空泡萌生阶段行为研究装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光空泡萌生阶段行为研究装置与方法，属于空化检测技术领域。该装置包括激光器系统、等离子体光谱监测系统和等离子体射流压力监测系统，激光器系统发出激光束与液体相互作用，在空泡萌生阶段产生等离子体，利用等离子体光谱监测系统对等离子体光谱进行实时监测，获得等离子体谱线，利用等离子体射流压力监测系统对等离子体射流产生的压力进行实时监测，获得射流力场分布，该发明能实现空泡萌生阶段行为的可视化和数值化，为空泡空化理论的建立提供研究方法和手段。

Description

一种激光空泡萌生阶段行为研究装置与方法
技术领域
本发明涉及一种激光空泡萌生行为研究装置与方法，可应用于空化机制量化的研究领域，属于空化技术领域。
背景技术
空化现象在食品和机械等领域广泛出现，具有“两面性”，在食品领域中，可利用空化效应进行清洗、降解、提取和酶解等过程；而在流体机械领域中，由于空化效应的存在，导致机械材料被气蚀，甚至引起设备运行的不稳定性。因此，有必要对空化效应进行深入研究。空化效应来源于气泡在液体中成核、生长和溃灭的过程，即空泡脉动行为。
由于激光空泡在试验操作中更易于控制，能够较清晰地反映空化现象的产生，从而牵引出很多围绕激光空泡脉动行为的研究，可分为两方面：一是从理论上进行研究的空泡径向运动方程，主要是对空泡半径在脉动周期中的变化进行数值计算；二是从试验角度进行的研究，采用高速摄像机记录空泡脉动过程，利用水听器获得空泡脉动过程的噪声频谱。这些开展的研究为空化机制地构建奠定了前提条件。但是，其中大多数研究侧重于空泡形成后的脉动阶段行为，其实不然，就像材料力学中的疲劳裂纹扩展一样，往往裂纹萌生阶段占据了裂纹发展的大多数时间，决定了材料疲劳寿命的长短。类似地，对于空泡萌生阶段的行为进行研究，可以有助于了解空泡的初始半径和脉动周期等，而这些因素往往决定了空泡的空化效能；而且，有效监测空化初生和识别空化状态也是保障流体机械设备正常运行的重要手段。
当高功率激光聚焦于液体中时，若作用激光能量密度超过液体的击穿阈值时，在聚焦区域将发生光学击穿，随之在空泡萌生阶段产生高温高压等离子体，该等离子体吸收后续激光能量，对外膨胀，形成冲击波，直至最终衰减为声波，空泡空化现象是激光击穿液体介质时伴随的主要物理现象之一。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的缺陷不足，提供一种利用检测激光等离子体来研究空泡萌生阶段行为的装置与方法。
为实现上述目的，本发明技术方案是：通过激光器系统产生激光空泡，研究激光空泡萌生阶段伴随的等离子体；利用等离子体光谱监测系统对等离子体光谱强度进行实时监测，包括采用中阶梯光栅光谱仪检测等离子体强度，采用计算机进行图谱和数值存储；利用等离子体射流压力监测系统对等离子体产生的射流压力进行实时监测，包括采用压力传感器测量等离子体射流力场，采用示波器采集谱线数值并分析；通过该发明不仅能实现空泡萌生阶段行为的可视化和数值化研究，而且为在激光加工及其他领域中的应用提供理论依据。
一种激光空泡萌生阶段行为研究装置，包括：激光器系统、等离子体光谱监测系统和等离子体射流压力监测系统；激光器系统发出激光束与液体相互作用，在空泡萌生阶段产生等离子体；利用等离子体光谱监测系统对等离子体光谱进行实时监测，获得等离子体谱线；利用等离子体射流压力监测系统对等离子体射流产生的压力进行实时监测，获得射流力场分布。
所述激光器系统，包括激光器本体、全反射镜、扩束镜和聚焦透镜；激光器本体产生激光束；经全反射镜反射，改变激光束传播方向，激光束由平行传播转变为垂直传播；变向后的激光束经扩束镜扩束，激光束直径和发散角发生改变；扩束后的激光束，经聚焦透镜聚焦，击穿液体，在空泡萌生阶段出现等离子体。
所述等离子体光谱监测系统，用于实时监测激光器系统产生的等离子体谱线，包括光纤探头、光纤、中阶梯光栅光谱仪、ICCD相机、光电探测器、延时器、电线和电脑；光纤探头对准激光束聚焦点处，监测并收集等离子体；用光纤将光纤探头与中阶梯光栅光谱仪一端相连；中阶梯光栅光谱仪另一端安装有ICCD相机，ICCD相机作为探测器件进行成像；装有ICCD相机的中阶梯光栅光谱仪与延时器、光电探测器用电线依次连接，装有ICCD相机的中阶梯光栅光谱仪由延时器和光电探测器控制，光电探测器接受等离子体信号并触发延时器进行工作；最后将中阶梯光栅光谱仪采集到的信号传入计算机进行处理分析。
所述等离子体射流压力监测系统，用于实时监测等离子体射流对应的压力分布情况，包括压力传感器、示波器、支架和电线；压力传感器通过支架固定在液体中，当等离体子作用在压力传感器上时，压力传感器会采集到相应的信号，并传输到示波器中，以电压的形式表示出来；依据帕邢定律，利用等离子体压力和击穿电压之间的函数关系，建立“击穿电压—压力”曲线，获得等离子体射流压力，将空泡萌生阶段等离子体射流力场数值化。
基于上述一种激光空泡萌生阶段行为研究装置的检测方法，按照下述步骤进行：
(1)激光器本体产生激光束，经全反射镜反射，改变激光束传播方向，激光束由平行传播转变为垂直向下地传播，变向后的激光束经扩束镜扩束和聚焦透镜聚焦，击穿液体，在空泡萌生阶段出现等离子体；
(2)将光纤探头对准激光束聚焦点处，监测并收集等离子体，经光纤传输至装有ICCD相机的中阶梯光栅光谱仪，光电探测器接受等离子体信号触发延时器进行工作，并一起控制中阶梯光栅光谱仪，最后将中阶梯光栅光谱仪采集到的信号传入计算机进行处理分析；
(3)在等离子体光谱监测的同时，对等离子体射流压力也实时监测，当等离体子作用在压力传感器上时，压力传感器会采集到相应的信号，并传输到示波器中，以电压的形式表示出来，依据帕邢定律，利用等离子体压力和击穿电压之间的函数关系，建立“击穿电压—压力”曲线，获得等离子体射流压力，将空泡萌生阶段等离子体射流力场数值化。
本发明与现有技术相比具有以下的优点：
(1)通过该发明能实现空泡萌生阶段行为的可视化和数值化研究；
(2)空泡空化理论的建立提供研究方法和手段。
附图说明
图1为单激光空泡萌生阶段行为研究装置示意图；
图2为双激光空泡萌生阶段行为研究装置示意图；
其中，11.激光器本体；12.全反射镜；13.扩束镜；14.聚焦透镜；15.激光束；16.液体；17.空泡；18.等离子体；19.半透半反镜；21.光纤探头；22.光纤；23.中阶梯光栅光谱仪；24.ICCD相机；25.光电探测器；26.延时器；27.电线；28.计算机；31.压力传感器；32.示波器；33.支架。
图3为等离子体射流压力图。
具体实施方案
为更好说明本专利的目的、技术方案和优点，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
一种激光空泡萌生阶段行为研究装置，包括：激光器系统、等离子体光谱监测系统和等离子体射流压力监测系统；所述激光器系统，包括激光器本体11、全反射镜12、扩束镜13和聚焦透镜14，激光器本体11产生激光束15，经全反射镜12反射，改变激光束15传播方向，变向后的激光束15经扩束镜13扩束，扩束后的激光束15，经聚焦透镜14聚焦，击穿液体16，在空泡17萌生阶段出现等离子体18；所述等离子体光谱监测系统，用于实时监测激光器系统产生的等离子体谱线，包括光纤探头21、光纤22、中阶梯光栅光谱仪23、ICCD相机24、光电探测器25、延时器26、电线27和计算机28，光纤探头21对准激光束15聚焦点处，监测并收集等离子体18，用光纤22将光纤探头21与中阶梯光栅光谱仪23一端相连，中阶梯光栅光谱仪23另一端安装有ICCD相机24，ICCD相机24作为探测器件进行成像，装有ICCD相机24的中阶梯光栅光谱仪23与延时器26、光电探测器25用电线27依次连接，装有ICCD相机24的中阶梯光栅光谱仪23由延时器26和光电探测器25控制，光电探测器25接受等离子体信号并触发延时器26进行工作，最后将中阶梯光栅光谱仪23采集到的信号传入计算机28进行处理分析；所述等离子体射流压力监测系统，用于实时监测等离子体射流对应的压力分布情况，包括压力传感器31、示波器32和支架33和电线27，压力传感器31通过支架33固定在液体16中，当等离体子18作用在压力传感器31上时，压力传感器31会采集到相应的信号，并传输到示波器32中，以电压的形式表示出来；依据帕邢定律，利用等离子体压力和击穿电压之间的函数关系，建立“击穿电压—压力”曲线，获得等离子体射流压力，将空泡萌生阶段等离子体射流力场数值化。
图1是单激光空泡萌生阶段行为研究装置示意图，激光器本体11产生激光束15，经全反射镜12反射，改变激光束15传播方向，激光束15由平行传播转变为垂直向下地传播，变向后的激光束15经扩束镜13扩束和聚焦透镜14聚焦，击穿液体16，在空泡17萌生阶段出现等离子体18；同时，将光纤探头21对准激光束15聚焦点处，监测并收集等离子体18，经光纤22传输至装有ICCD相机24的中阶梯光栅光谱仪23，光电探测器25接受等离子体信号并触发延时器26进行工作，光电探测器25和延时器26用电线27连接，一起控制中阶梯光栅光谱仪23，最后将中阶梯光栅光谱仪23采集到的信号传入计算机28进行处理分析；在等离子体光谱监测的同时，对等离子体射流压力也实时监测，压力传感器31通过支架33固定在液体16中，当等离体子18作用在压力传感器31上时，压力传感器31会采集到相应的信号，并传输到示波器32中，以电压的形式表示出来；依据帕邢定律，利用等离子体压力和击穿电压之间的函数关系，建立“击穿电压—压力”曲线，获得等离子体18射流压力。
图2是双激光空泡萌生阶段行为研究装置示意图，激光器本体11产生激光束15，经半透半反镜19，产生两路激光束15，一路激光束15被反射，由平行传播转变为垂直向下传播，另一路激光束15保持原来的传输方向继续传播，经全反射镜12反射，也由平行传播转变为垂直向下传播，变向后的两路激光束15分别经扩束镜13扩束和聚焦透镜14聚焦，击穿液体16，在两处空泡17萌生阶段出现两处等离子体18；用光纤探头21监测并收集两处等离子体18共同作用所形成的等离子体光谱强度，经光纤22传输至装有ICCD相机24的中阶梯光栅光谱仪23，光电探测器25接受等离子体信号并触发延时器26进行工作，并一起控制中阶梯光栅光谱仪23，最后将中阶梯光栅光谱仪23采集到的信号传入计算机28进行处理分析；在两处等离子体光谱监测的同时，对两处等离子体射流压力也进行实时监测，当两处等离体子18分别作用在两个压力传感器31上时，压力传感器31会采集到相应的信号，并传输到示波器32中，以电压的形式表示出来；依据帕邢定律，获得等离子体射流压力。
实施例1
波长为1064nm、脉宽为20ns和激光能量为6J的激光器本体产生激光束，经全反射镜反射，扩束镜扩束和聚焦透镜聚焦，击穿去离子水，在空泡萌生阶段出现等离子体；同时，将光纤探头对准激光束聚焦点处，监测并收集等离子体，装有ICCD相机的中阶梯光栅光谱仪进行检测，其检测范围为300-800nm，分辨率为0.1nm，采集曝光时间为0.3s，采集门宽为70μs，光谱仪和延迟器的采集门延时设为12μs；另外，光电探测器接受等离子体信号并触发延时器进行工作，控制中阶梯光栅光谱仪运行；在等离子体光谱监测的同时，对等离子体射流压力也进行实时监测，当等离体子作用在压力传感器上时，压力传感器会采集到相应的信号，并传输到示波器中，以电压的形式表示出来，再依据帕邢定律，利用等离子体压力和击穿电压之间的函数关系：U＝BPd/ln[APd/ln(1+1/γ)]，其中，A和B是常数，P是气压，d是激光聚焦光斑与压力传感器之间的距离，γ为离子撞击压电传感器时所发生的电子发射的过程系数。最后，“击穿电压—压力”曲线可以建立，获得等离子体射流压力，如图3所示。

Claims (5)

1.一种激光空泡萌生阶段行为研究装置，其特征在于，包括激光器系统、等离子体光谱监测系统和等离子体射流压力监测系统；激光器系统发出激光束（15）与液体（16）相互作用，在空泡（17）萌生阶段产生等离子体（18）；利用等离子体光谱监测系统对等离子体光谱进行实时监测，获得等离子体谱线；利用等离子体射流压力监测系统对等离子体射流产生的压力进行实时监测，获得射流力场分布；
所述激光器系统，包括激光器本体（11）、全反射镜（12）、扩束镜（13）和聚焦透镜（14），激光器本体（11）产生激光束（15），经全反射镜（12）反射，改变激光束（15）传播方向，变向后的激光束（15）经扩束镜（13）扩束，扩束后的激光束（15），经聚焦透镜（14）聚焦，击穿液体（16），在空泡（17）萌生阶段出现等离子体（18）；
所述等离子体光谱监测系统，用于实时监测激光器系统产生的等离子体谱线，包括光纤探头（21）、光纤（22）、中阶梯光栅光谱仪（23）、ICCD相机（24）、光电探测器（25）、延时器（26）、电线（27）和计算机（28），光纤探头（21）对准激光束（15）聚焦点处，监测并收集等离子体（18），用光纤（22）将光纤探头（21）与中阶梯光栅光谱仪（23）一端相连，中阶梯光栅光谱仪（23）另一端安装有ICCD相机（24），ICCD相机（24）作为探测器件进行成像，装有ICCD相机（24）的中阶梯光栅光谱仪（23）与延时器（26）、光电探测器（25）用电线（27）依次连接，装有ICCD相机（24）的中阶梯光栅光谱仪（23）由延时器（26）和光电探测器（25）控制，光电探测器（25）接收等离子体信号并触发延时器（26）进行工作，最后将中阶梯光栅光谱仪（23）采集到的信号传入计算机（28）进行处理分析；
所述等离子体射流压力监测系统，用于实时监测等离子体射流对应的压力分布情况，包括压力传感器（31）、示波器（32）、支架（33）和电线（27），压力传感器（31）通过支架（33）固定在液体（16）中，当等离体子（18）作用在压力传感器（31）上时，压力传感器（31）会采集到相应的信号，并传输到示波器（32）中，以电压的形式表示出来，依据帕邢定律，获得等离子体射流压力。
2.根据权利要求1所述的一种激光空泡萌生阶段行为研究装置，其特征在于，所述激光器本体（11）产生激光束（15），经半透半反镜（19），产生两路激光束（15），一路激光束（15）被反射，由平行传播转变为垂直向下传播，另一路激光束（15）保持原来的传输方向继续传播，经全反射镜（12）反射，也由平行传播转变为垂直向下传播，变向后的两路激光束（15），分别经扩束镜（13）扩束和聚焦透镜（14）聚焦，击穿液体（16），在两处空泡（17）萌生阶段出现两处等离子体（18）。
3.根据权利要求2所述的一种激光空泡萌生阶段行为研究装置，其特征在于，对两处等离子体射流压力进行实时监测，当两处等离体子（18）分别作用在两个压力传感器（31）上时，压力传感器（31）采集到相应的信号，并传输到示波器（32）中，以电压的形式表示出来，用于双激光空泡萌生行为研究。
4.基于上述一种激光空泡萌生阶段行为研究装置的检测方法，其特征在于，按照下述步骤进行：
（1）激光器本体产生激光束，经全反射镜反射，改变激光束传播方向，激光束由平行传播转变为垂直向下地传播，变向后的激光束经扩束镜扩束和聚焦透镜聚焦，击穿液体，在空泡萌生阶段出现等离子体；
（2）将光纤探头对准激光束聚焦点处，监测并收集等离子体，经光纤传输至装有ICCD相机的中阶梯光栅光谱仪，光电探测器接收等离子体信号并触发延时器进行工作，并一起控制中阶梯光栅光谱仪，最后将中阶梯光栅光谱仪采集到的信号传入计算机进行处理分析；
（3）在等离子体光谱监测的同时，对等离子体射流压力也实时监测，当等离体子作用在压力传感器上时，压力传感器会采集到相应的信号，并传输到示波器中，以电压的形式表示出来；依据帕邢定律，利用等离子体压力和击穿电压之间的函数关系，建立“击穿电压—压力”曲线，获得等离子体射流压力，将空泡萌生阶段等离子体射流力场数值化。
5.根据权利要求4所述的一种激光空泡萌生阶段行为研究装置的检测方法，其特征在于，对两处等离子体射流压力进行实时监测，当两处等离体子分别作用在两个压力传感器上时，压力传感器采集到相应的信号，并传输到示波器中，以电压的形式表示出来，依据帕邢定律，获得等离子体射流压力。
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