CN109269762B - 利用同轴平行光源观测激光空泡冲击波的实验装置 - Google Patents

利用同轴平行光源观测激光空泡冲击波的实验装置 Download PDF

Info

Publication number
CN109269762B
CN109269762B CN201811200453.3A CN201811200453A CN109269762B CN 109269762 B CN109269762 B CN 109269762B CN 201811200453 A CN201811200453 A CN 201811200453A CN 109269762 B CN109269762 B CN 109269762B
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
cavitation
light source
parallel light
speed camera
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201811200453.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109269762A (zh
Inventor
罗晶
许唯临
周茂林
李健薄
翟俨伟
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sichuan University
Original Assignee
Sichuan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sichuan University filed Critical Sichuan University
Priority to CN201811200453.3A priority Critical patent/CN109269762B/zh
Publication of CN109269762A publication Critical patent/CN109269762A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109269762B publication Critical patent/CN109269762B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M10/00—Hydrodynamic testing; Arrangements in or on ship-testing tanks or water tunnels
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N7/00—Television systems
    • H04N7/18—Closed-circuit television [CCTV] systems, i.e. systems in which the video signal is not broadcast

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Aerodynamic Tests, Hydrodynamic Tests, Wind Tunnels, And Water Tanks (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明提供的一种利用同轴平行光源观测激光空泡冲击波的实验装置，包括同轴平行光源、液体光致击穿诱发空泡控制组件、水槽、高速摄像机、计算机，所述液体光致击穿诱发空泡控制组件由脉冲激光器、扩束镜、反射镜、聚焦透镜组成。本发明所述实验装置用于观测激光空泡冲击波的动态变化影像，为细观层面空蚀破坏机理的研究提供了新的便利的实验装置。

Description

利用同轴平行光源观测激光空泡冲击波的实验装置
技术领域
本发明属于空泡动力学领域，具体涉及一种观测激光空泡冲击波的实验装置。
背景技术
自从上个世纪初在船舶螺旋桨上出现空蚀破坏，空蚀问题已成为水利、船舶、化工、医疗等专业十分关切的课题，国内外开展了大量的研究。目前关于空蚀破坏机理的认识主要有两点：一是空泡演变过程中的冲击波，另一是空泡溃灭时形成的微射流。冲击波论，即空泡演变过程中强烈地压缩周围液体介质而形成冲击波(包括主冲击波和溃灭冲击波)，这些冲击波对壁面的压力冲击是产生空蚀的主要诱因之一。当溃灭发生在固体壁面附近时，空泡远离固体壁面的区域溃灭时形成朝向壁面溃灭的高速射流(相关文献介绍近空泡壁面处的微射流流速可达180m/s)，微射流对壁面的冲击作用是产生空蚀的另一主要诱因。
液体光致击穿诱发空泡是利用激光的液体光致击穿效应产生激光空泡。强激光束的能量密度超过液体的击穿阈值时，液体会被“光学击穿”，在击穿区域的水电离形成高温高压的等离子体，当激光的一个脉冲结束后，高温致使液体汽化产生空泡。该方法由于具有球对称性好、易于控制且无其他边界干扰的优点，成为研究空泡动力学的有效手段。
空泡的生命周期(激光空泡的生命周期约为200～300μs)极为短暂，且冲击波传播速度(相关文献介绍激光空泡溃灭冲击波传播速度大于2000m/s)极快，即冲击波的马赫数远大于1，此时水体的压缩性不可忽略，因此，靠近冲击波前后水体密度有一定差异。而在相同条件下，不同密度的水体对光的透射情况不一样，从而摄影图像上在冲击波附近有一定的明暗变化。少量文献介绍现有观测空泡冲击波的实验装置为：水平间距1m以上的两光源照射空泡处，且两光源与高速摄像机镜头中心处在同一轴线上，高速摄像机负责拍摄冲击波图像。然而，利用两组同轴线的非平行光源进行空泡冲击波的拍摄，存在以下不足之处：(1)照射在空泡表面的及附近水体的光线平行度较差；(2)对于较弱的冲击波存在无法观测到的可能；(3)空泡冲击波在高速摄影图像上的对比度较弱；(4)需要焦距较长的镜头配合高速摄像机使用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种利用同轴平行光源观测激光空泡冲击波的实验装置，用于观测激光空泡冲击波，为细观层面空蚀破坏机理的研究提供了新的便利的实验装置。
本发明的实验装置观测激光空泡冲击波的原理为：冲击波边缘的前后水体密度存在一定差异，在相同条件下，不同密度的水体对光的透射不一样，而采用同轴平行光源具有平行度高、不易发散等优点，使光线的透射现象更加明显，使得在摄影图像上冲击波与周围水体有清晰地明暗变化。
本发明提供的利用同轴平行光源观测激光空泡冲击波的实验装置，包括同轴平行光源、液体光致击穿诱发空泡控制组件、水槽、高速摄像机、计算机，所述液体光致击穿诱发空泡控制组件由脉冲脉冲激光器、扩束镜、反射镜、聚焦透镜组成；
所述液体光致击穿诱发空泡控制组件用于发出激光，利用激光的液体光致击穿效应在水槽水体中产生激光空泡，所述同轴平行光源的出射中心、液体光致击穿诱发空泡控制组件的激光聚焦点与高速摄像机镜头中心在同一水平轴线上，所述高速摄像机与计算机连接，实时获取冲击波的动态变化影像。
进一步地，液体光致击穿诱发空泡控制组件中，所述扩束镜位于脉冲激光器的出射光路上，将脉冲激光器发出的脉冲激光扩束为激光束，所述反射镜位于激光束光路上，使激光束的向下垂直于水槽中水面传播，并经过位于其光路上的聚焦透镜聚焦至水体中设定的液体光致击穿位置，产生激光空泡。
进一步的，同轴平行光源的出射中心距离激光聚焦点为10～20cm，这是因为同轴平行光源的出射光线在出射端口10～20cm的范围内平行度最好。
进一步的，高速摄像机的镜头中心与激光聚焦点的水平间距为50cm～80cm，进一步，高速摄像机的镜头焦距f大于85mm。
进一步的，同轴平行光源出射光线的光照度不低于1000lx。
进一步的，高速摄像机的曝光时间低于1μs，这是因为冲击波传播速度极快，需要极短的曝光时间来捕捉冲击波的动态变化。
进一步地，水槽中的液面高出激光聚焦点(空泡发生的位置)5倍的空泡最大半径，空泡最大半径根据实验测量。
本发明的以上技术方案中，各设备以及设备间距的具体参数以高速摄像机能够拍摄到冲击波的图像为准。
以上技术方案中，所述同轴平行光源主要由高密度LED和分光片组成。LED灯源通过漫反射将光线发散到半反射半透的分光片后变向为平行的均匀光，使同轴平行光源出射的均匀光和相机在同一轴线上，并可消除图像的重像。
使用本发明所述实验装置进行实验研究时工作流程：首先将同轴平行光源、高速摄像机、脉冲激光器的工作电路通电。进一步启动高速摄像机拍摄，随后立即操控脉冲激光器发出脉冲激光，脉冲激光经扩束镜扩束为激光束，再经反射镜激光束由平行传播转变为垂直传播，变向后的激光束最后经聚焦透镜在水槽的预定位置产生空泡。同时，高速摄像机将录制的冲击波的动态变化影像实时传输给计算机，计算机进行影像保存。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明所述实验装置利用同轴平行光源，利用同轴平行光源具有平行度高、不易发散等优点，使光线的透射现象更加明显，使得在摄影图像上溃灭冲击波与周围水体有清晰地明暗变化，从而实时观测到电火花空泡溃灭冲击波的动态信息，为细观层面空蚀破坏机理的研究提供了新的便利的实验装置。
2.本发明所述实验装置可以将空泡迁移和冲击波的动态变化同时拍摄。
2.空泡的形态更接近球形，其他干扰因素少，实验效果好。
附图说明
图1为本发明所述实验装置的结构示意图；
图2为本发明所述实验装置中水槽、同轴平行光源和高速摄像机的相对位置布置俯视图(平面布置图)；
图3为实施例中高速摄像机拍摄到的液体光致击穿诱发的激光空泡冲击波的图片。图中0时刻为激光空泡产生的初始时刻；图中122μs时刻为膨胀至最大直径为2.5mm的激光空泡；图中5.5μs～11μs观测到主冲击波，图中238.5μs～244μs观测到次冲击波。
图中，1脉冲激光器，2扩束镜，3反射镜，4聚焦透镜，5空泡，6同轴平行光源，7水槽，8高速摄像机，9计算机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细说明。以下所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明保护范围内。
实施例
一种利用同轴平行光源观测激光空泡冲击波的实验装置，包括液体光致击穿诱发空泡控制组件、同轴平行光源6、水槽7、高速摄像机8、计算机9，所述液体光致击穿诱发空泡控制组件由脉冲激光器1、扩束镜2、反射镜3、聚焦透镜4组成。
所述液体光致击穿诱发空泡控制组件中，所述扩束镜位于脉冲激光器的出射光路上，将脉冲激光器发出的脉冲激光扩束为激光束，所述反射镜位于激光束光路上，使激光束的向下垂直于水槽中水面传播，并经过聚焦透镜聚焦至水体中设定的液体光致击穿位置，产生激光空泡；同轴平行光源的出射中心、激光聚焦点与高速摄像机镜头中心在同一水平轴线上。所述计算机与高速摄像机连接，实时获取高速摄像机拍摄冲击波的动态变化影像。
本实施例进行以下优化：同轴平行光源的出射中心距离激光聚焦点为10～20cm，高速摄像机的镜头中心与激光聚焦点的间距为50cm～80cm，高速摄像机的镜头焦距f大于85mm，同轴平行光源出射光线的光照度不低于1000lx，高速摄像机的曝光时间低于1μs，各设备以及设备间距的具体参数以高速摄像机能够拍摄到冲击波的图像为准。
本实例中，所有电器均采用民用220v交流电供电。
同轴平行光源(市售)采用白光，色温6600K，功率3W；脉冲激光器Nd：YAG输出波长1064nm、单个激光能量为200mJ、脉宽8ns，型号：SPITLIGHT Compact 200，厂家INNOLAS，脉冲频率：10Hz，光束发散：<1.5mrad。扩束镜2、反射镜3、聚焦透镜4为市售；高速摄像机(市售)选择最大达2400000帧/秒的高速摄像机，镜头采用微距镜头；计算机预装高速摄像机控制及图像处理软件。
同轴平行光源的出射中心距离激光聚焦点为15cm，高速摄像机的镜头中心与激光聚焦点的距离为50cm，高速摄像机的镜头焦距f为85mm，同轴平行光源出射光线的光照度为1000lx，高速摄像机的曝光时间为0.25μs。
进行实验时，向水槽内缓慢加入去离子水，使液面高出激光聚焦点5倍的空泡最大半径(空泡最大半径根据实验测量)。首先，将同轴平行光源、高速摄像机、脉冲激光器的工作电路通电。其次，启动高速摄像机拍摄，随后，立即操控脉冲激光器发出脉冲激光，脉冲激光经扩束镜扩束为激光束，再经反射镜激光束由平行传播转变为垂直传播，变向后的激光束最后经聚焦透镜在水槽的预定位置产生空泡。同时，计算机通过高速摄像机配套软件实时读取高速摄像机录制的冲击波的动态变化影像。最后，图像处理时，激光空泡与冲击波的尺寸根据各自所占图片的像素点数进行测量，冲击波的传播速度根据单位时间冲击波波移动的距离来计算。
高速摄像机拍摄到的液体光致击穿诱发的激光空泡冲击波的图片见图3(由于图片中冲击波与周围水体的对比度较弱，对图片中5.5μs、11μs、238.5μs、244μs时刻的冲击波进行了箭头指示)。图中0时刻为激光空泡产生的初始时刻，之后激光空泡逐渐膨胀，并发出主冲击波，直至122μs时刻激光空泡膨胀至最大直径，激光空泡最大半径为2.5mm；随后激光空泡开始逐渐收缩，并发出次冲击波；图中5.5μs～11μs观测到主冲击波，其传播速度大致为1860m/s；图中238.5μs～244μs观测到次冲击波，其传播速度大致为2060m/s。
使用一种利用同轴平行光源观测激光空泡冲击波的实验装置，实时观测到激光空泡冲击波的动态信息，为细观层面空蚀破坏机理的研究提供了新的便利的实验装置。

Claims (2)

1.利用同轴平行光源观测激光空泡冲击波的实验装置，其特征在于包括同轴平行光源、液体光致击穿诱发空泡控制组件、水槽、高速摄像机、计算机，所述液体光致击穿诱发空泡控制组件由脉冲激光器、扩束镜、反射镜、聚焦透镜组成；
所述液体光致击穿诱发空泡控制组件用于发出激光，利用激光的液体光致击穿效应在水槽水体中产生激光空泡，所述同轴平行光源的出射中心、液体光致击穿诱发空泡控制组件的激光聚焦点与高速摄像机镜头中心在同一水平轴线上，所述高速摄像机与计算机连接，实时获取冲击波的动态变化影像；
液体光致击穿诱发空泡控制组件中，所述扩束镜位于脉冲激光器的出射光路上，将脉冲激光器发出的脉冲激光扩束为激光束，所述反射镜位于激光束光路上，使激光束的向下垂直于水槽中水面传播，并经过位于其光路上的聚焦透镜聚焦至水体中设定的液体光致击穿位置，产生激光空泡；
同轴平行光源的出射中心距离激光聚焦点为10～20cm；同轴平行光源出射光线的光照度不低于1000lx；
高速摄像机的镜头中心与激光聚焦点的间距为50cm～80cm，高速摄像机的镜头焦距f大于85mm；高速摄像机的曝光时间低于1μs。
2.根据权利要求1所述利用同轴平行光源观测激光空泡冲击波的实验装置，其特征在于水槽中的液面高出激光聚焦点5倍的空泡最大半径。
CN201811200453.3A 2018-10-16 2018-10-16 利用同轴平行光源观测激光空泡冲击波的实验装置 Active CN109269762B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811200453.3A CN109269762B (zh) 2018-10-16 2018-10-16 利用同轴平行光源观测激光空泡冲击波的实验装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811200453.3A CN109269762B (zh) 2018-10-16 2018-10-16 利用同轴平行光源观测激光空泡冲击波的实验装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109269762A CN109269762A (zh) 2019-01-25
CN109269762B true CN109269762B (zh) 2020-04-28

Family

ID=65196920

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811200453.3A Active CN109269762B (zh) 2018-10-16 2018-10-16 利用同轴平行光源观测激光空泡冲击波的实验装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109269762B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110261063A (zh) * 2019-05-27 2019-09-20 中国飞机强度研究所 一种高速射弹入水空化现象测试系统及测试方法
CN111931431B (zh) * 2020-07-23 2023-06-16 中国农业大学 一种激波波阵面位置的确定方法及装置
CN112082731B (zh) * 2020-09-04 2021-11-09 中国农业大学 一种用于空化研究的纳秒级图像测量系统
CN112903239A (zh) * 2021-01-13 2021-06-04 北京理工大学 一种单空泡流场中压缩波观测实验装置
CN112887566B (zh) * 2021-01-26 2022-06-21 中国科学院力学研究所 一种基于折射率补偿的自由面附近空化现象微距观测方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1248046C (zh) * 2002-07-03 2006-03-29 中国科学院工程热物理研究所 超急速沸腾状态下汽泡生长过程的瞬态观测系统及方法
US9176504B2 (en) * 2011-02-11 2015-11-03 The Regents Of The University Of California High-speed on demand droplet generation and single cell encapsulation driven by induced cavitation
CN103758824B (zh) * 2014-01-23 2016-04-27 中国矿业大学 一种液压阀体内部空化分析系统和方法
CN107271376A (zh) * 2017-05-02 2017-10-20 江苏大学 一种激光空泡萌生阶段行为研究装置与方法
CN107300540B (zh) * 2017-05-19 2020-02-07 西安交通大学 一种液体光致击穿及空化效应的研究系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN109269762A (zh) 2019-01-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109269762B (zh) 利用同轴平行光源观测激光空泡冲击波的实验装置
US10814431B2 (en) Device for laser-inducing cavitation strengthening with multi-system automatic coordination work
CN101733556B (zh) 一种激光切割机
GB2537487A (en) Electrochemical composite deposition machining method and apparatus using laser light tube as electrode
CN110091078A (zh) 一种用于玻璃的三维柱状孔激光切割方法
Tanaka et al. Basic and integrated studies for fast ignition
CN106271063B (zh) 一种激光诱导双空泡的方法及装置
CN106735947A (zh) 一种高效可控加工大面积硅微纳结构的方法
Tomita et al. Dynamic behavior of two‐laser‐induced bubbles in water
US11482826B2 (en) Optical processing apparatus, optical processing method, and optically-processed product production method
CN103841744A (zh) 激光尾波场加速器及产生高亮度阿秒光脉冲的方法
GB2547862A (en) Method and device for etching transparent insulating material with magnetic powder induction laser plasma
CN107378235B (zh) 飞秒激光加工系统及方法
CN112834534B (zh) 一种飞片检测装置
CN107030403B (zh) 纯金属或合金产品微孔加工系统
CN105103391A (zh) 用于激光处理靶材料的激光装置以及方法
CN108387364A (zh) 基于激光诱导方法产生空泡的装置
JP2009012061A (ja) レーザ加工機
CN107221231A (zh) 一种管内激光水下爆炸发射推进方法
CN112589261A (zh) 一种多能场辅助超短脉冲激光加工过程监测装置及方法
CN109270050B (zh) 液体光致击穿诱发空化泡与空气泡的同步实验装置
CN109269763A (zh) 利用同轴平行光源观测电火花空泡溃灭冲击波的实验装置
CN115666003A (zh) 一种线路板盲槽制作方法及系统
KR20100107932A (ko) 초음파 진동을 사용하는 하이브리드 레이저 가공 장치
CN112082731B (zh) 一种用于空化研究的纳秒级图像测量系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant