CN113280998A - 激光烧蚀靶材的冲击波成像系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了了基于彩色纹影技术对激光烧蚀靶材的冲击波成像系统及方法。本发明的系统包括亚毫秒激光器、反射镜、聚焦透镜、PET薄膜、烧蚀靶材、光电探测器、数字延时脉冲发生器、闪光源、准直镜、纹影镜、彩色胶片刀口、成像镜、滤光片、高速相机和图像采集系统；本发明激光烧蚀靶材的冲击波成像系统及方法的图像分辨率较高，对于激光烧蚀的整个过程实现了更加细致的观察，并且该系统能够拍摄到不同时刻的瞬态烧蚀状态，可以实现高速成像下的连续拍照，系统灵敏度显著著提高，整个装置结构简单，实施简单，通用性强，易于改造。

Description

激光烧蚀靶材的冲击波成像系统及方法
技术领域
本发明属于激光烧蚀领域，涉及流场纹影显示技术，特别是涉及基于彩色纹影技术对激光烧蚀靶材的冲击波成像系统及方法。
背景技术
目前国内外公开的激光烧蚀靶材的冲击波成像装置较少，最受关注的是纹影成像技术，纹影成像技术是实现了对流场分布的实验研究，将传统的理论分析上升为可观察、可测量的视觉新领域当中。在20世纪末，Callies等人用影像照相术和纹影照相术研究了准分子脉冲激光(KrF激光,λ＝248nm,半峰值全宽度FWHM为25ns)轰击金属表面时在样品周围气体中所发生的气体动力学过程。这种方法可以给出一定时刻气体动力学过程的空间图象(Callies G,Berger P,Hugel H.Time-resolved observation of gas-dynamicdiscontinuities arising during excimer laser ablation and theirinterpretation[J].Journal of Physics D Applied Physics,1999,28(4):794.)；2006Dhareshwar L J等人通过通过使用光学阴影摄影技术测量了目标箔片的移动，记录了不同时刻的光学阴影图测量了冲击波的传播时间，并且观察到了冲击波的渡越时间、速度和压力。(Dhareshwar L J,Gopi N,Murali C G,et al.Measurement of laser drivenshock wave transit time through thin aluminiumtargets by optical shadowgraphy[J].Shock Waves,2005,14(4):231-237.)；2016年，北京理工大学吴宝进行了毫秒脉冲激光烧蚀铝板的实验。采用高速纹影照相技术，观察了激光烧蚀铝板过程中冲击波演化规律以及产物溅射。根据获得纹影照片确定了铝板击穿时刻，分析了激光能量以及激光脉冲次数对烧蚀深度的影响规律(吴宝.毫秒脉冲激光烧蚀铝板实验及数值模拟计算[D].2016.)。上述文献对于激光烧蚀靶材的冲击波成像装置结构较为复杂且成像的分辨度较低，图像采集速度还有待进一步提高，对于激光烧蚀靶材的冲击波以及溅射细节观察受到了一定的限制。
发明内容
本发明的目的克服现有技术的不足，实现对激光烧蚀靶材的冲击波形式以及溅射细节的成像。
为实现上述目的，本发明提供了一种激光烧蚀靶材的冲击波成像系统，包括：亚毫秒激光器、反射镜、聚焦透镜、PET薄膜、烧蚀靶材、光电探测器、数字延时脉冲发生器、闪光源、准直透镜、纹影透镜、彩色胶片刀口、成像透镜、滤波片、高速相机、图像采集系统；
所述亚毫秒激光器发射的激光经反射镜反射，反射的激光再通过聚焦透镜聚焦于烧蚀靶材上，PET薄膜置于聚焦透镜和烧蚀靶材之间防止烧蚀靶材(5)溅射损伤聚焦透镜；
所述数字延时脉冲发生器设置为外触发模式，光电探测器放置在亚毫秒激光器出光口探测出光信号，光电探测器的输出信号作为数字延时脉冲发生器触发电平，闪光源和高速相机通过信号连接线连接到数字延时脉冲发生器，数字延时脉冲发生器根据光电探测器的探测到的出光信号输出触发脉冲信号，使闪光源和高速相机与亚毫秒激光器同步工作；
所述闪光源以确定频率发出光脉冲，经过准直透镜输出平行光穿过激光辐照烧蚀靶材的受作用区域，即烧蚀靶材周围的被测流场，彩色胶片刀口放置在纹影透镜焦点处，被测流场变化的光线经过纹影透镜后聚焦于彩色成像在彩色胶片刀口，光线经彩色胶片刀口后被赋予不同的颜色，而后经通过成像透镜经过滤波片成像在高速相机上，高速相机获得的图像数据经数据线输出到图像采集系统上。
进一步的，所述亚毫秒激光器的脉宽566μs，激光输出能量在1J～10J，光斑能量分布为平顶分布。
进一步的，所述反射镜为反射率大于94％，口径50mm，K9光学玻璃，带2个自由度调整镜架。
进一步的，所述聚焦透镜为消色差光学透镜，焦距100mm，带2个自由度调整镜架。
进一步的，所述闪光源采用德国HSPS公司的NANO-LITE系列频闪光源，配合NANOLITE Driver使用。
进一步的，所述准直透镜为消色差光学透镜，焦距为50mm，口径50mm，K9光学玻璃，带两个自由度调整镜架。
进一步的，所述纹影透镜、成像透镜为消色差光学透镜，焦距为50mm，口径50mm，K9光学玻璃，带两个自由度调整镜架。
进一步的，所述彩色胶片刀口是利用Matlab在计算机上设计生成滤光片图像，然后在反转片上冲洗出来的。
本发明还提供了一种基于上述系统的激光烧蚀靶材的冲击波成像方法，其特征是步骤如下：
步骤一：调整亚毫秒激光器与反射镜和聚焦透镜在光轴上的位置，使激光光斑聚焦于烧蚀靶材中心处，将PET薄膜放在聚焦透镜和烧蚀靶材之间，防止溅射损坏聚焦透镜；
步骤二：数字延时脉冲发生器设置为外触发模式，将光电探测器放置在亚毫秒激光器出光口接收受出光信号，作为数字延时脉冲发生器触发电平，将闪光源和高速相机通过信号连接线连接数字延时脉冲发生器，通过数字延时脉冲发生器触发脉冲信号使闪光源和高速相机进行同步工作状态；
步骤三：调整纹影透镜、彩色胶片刀口和成像透镜位置，使彩色胶片刀口位于纹影透镜和成像透镜之间焦点处，将滤波片放置在高速相机前防止高强度光损坏高速相机。
步骤四：开启亚毫秒激光器，调整不同的激光能量烧蚀靶材，利用高速相机实时拍摄激光烧蚀靶材的冲击波以及溅射图像，最后利用图像采集系统对数据进行处理。
有益效果
本发明提供一种新的基于彩色纹影技术对激光烧蚀靶材的冲击波成像系统及方法，采用彩色纹影法对激光烧蚀的冲击波和溅射的流场进行彩色成像，图像分辨率较高，对于激光烧蚀的整个过程实现了更加细致的观察，并且该系统能够拍摄到不同时刻的瞬态烧蚀状态，可以实现高速成像下的连续拍照，系统灵敏度显著提高，整个装置结构简单，实施简单，通用性强，易于改造。
附图说明
图1为本发明的激光烧蚀靶材的冲击波成像装置的原理图。
图2为本发明的彩色纹影法的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
彩色纹影技术是以光作为测量介质，当光束穿过有密度变化的流场区域时会发生偏转，光束偏转量的不同即可体现在流场照片的色彩上，从而实现流场密度场光学诊断的技术，彩色纹影技术所得图像与黑、白纹影法比较，具有更强的成像灵敏度和图像分辨率。激光烧蚀靶材产生的强烈的冲击波和物质溅射，会产生很大的密度梯度，所以利用彩色纹影法能够很好的观测激光烧蚀靶材产生的冲击波和物质溅射。
本发明提供了一种基于彩色纹影法的激光烧蚀靶材的冲击波成像系统。通过彩色纹影系统实现对激光烧蚀靶材产生的冲击波及溅射流场演化过程的高分辨率成像，呈现信息量更大、更易识别的流场图像，可用于细致观察和研究激光烧蚀靶材所产生的各种效应。
如图1所示，本发明的基于彩色纹影技术对激光烧蚀靶材的冲击波成像系统，主要包括：激光烧蚀组件、彩色纹影成像组件和时序控制组件。其中，激光烧蚀组件包括亚毫秒脉冲激光器1、反射镜2、聚焦透镜3、PET薄膜4、烧蚀靶材5；彩色纹影成像组件包括闪光源8、准直透镜9、纹影透镜10、彩色胶片刀口12、成像透镜11、滤波片13、高速相机14和图像采集系统15；时序控制组件包括光电探测器6和数字延时脉冲发生器7。
激光烧蚀组件中，亚毫秒激光器1输出的激光束经反射镜2后通过聚焦透镜3辐照在烧蚀靶材5上，PET薄膜4放置于聚焦透镜3和烧蚀靶材5之间以防止烧蚀溅射物损伤聚焦透镜。亚毫秒激光器是激光烧蚀组件构建过程中首先要关注的单元，是重要组成部分。激光烧蚀是用一束高能脉冲激光器辐射靶材表面，使其表面迅速加热融化蒸发。对激光的基本要求是脉冲时间小、高能量且分布均匀。为了满足激光烧蚀系统的要求，亚毫秒激光器可采用Nd：YAG亚毫秒激光器放置在反射镜45°位置，亚毫秒激光器1脉宽566μs，激光输出能量在1J～10J，光斑能量分布为平顶分布，能够达到激光烧蚀系统的要求；反射镜2为反射率大于94％，口径50mm，K9光学玻璃，带2个自由度调整镜架；聚焦透镜为消色差光学透镜，焦距100mm，带2个自由度调整镜架；为了防止溅射损伤聚焦透镜3被损坏，在光路上放置抗张强度和抗冲击强度较好的PET4薄膜；烧蚀靶材5使用夹具进行夹持固定，可以更换各种材料进行观察。
彩色纹影组件中，闪光源8发出高频闪光经准直透镜9后输出平行光穿过激光辐照烧蚀靶材5的作用区域，即烧蚀靶材5周围的被测流场，彩色胶片刀口放置在纹影透镜10焦点处，烧蚀靶材5周围的被测流场中折射率不同使平行光发生不同程度偏折，光线经彩色胶片刀口12后被赋予不同的颜色，而后经成像透镜11在相机上成彩色图像，相机前放置滤波片13以去除激光辐照烧蚀靶材5产生等离子体的自发光。
如图2所示，彩色纹影成像组件对光源的基本要求是要亮度高并且均匀，要达到较高的灵敏度，就要求光源的尺寸至少在一个方向上要比较小，所以光源的亮度要比较高，也就是光源在单位面积上的发光能量要大，以便在利用其中一小部分光的情况下能够满足底片的曝光要求。闪光源8作为背景光源，以确定频率发出光脉冲，通过准直透镜9后形成平行光，以覆盖整个被测流场。对于纹影系统，背景平行光经过待测区域后根据密度梯度变化导致光束偏转而产生明暗/色彩变化，从而在相机上成像。闪光源8采用的德国HSPS公司的高亮度、短脉冲NANO-LITE系列频闪光源，配合NANOLITE Driver使用；准直透镜9为消色差光学透镜，焦距为50mm，口径50mm，K9光学玻璃，带两个自由度调整镜架；被测流场(5)，由于烧蚀靶材5产生的冲击波造的很大的密度梯度，产生气流运动的空间不同分布；纹影透镜10、成像透镜12为消色差光学透镜，焦距为50mm，口径50mm，K9光学玻璃，带两个自由度调整镜架；光线通过彩色胶片刀口11可产生不同色度变化曲线的滤光片图像，采用不同类型的彩色胶片，可以实现不同方向和精度的彩色纹影观测，高灵敏度的测量系统的成像效果很大程度上都依赖于刀口的设计，与刀口的形状、种类，以及切割方向都有很大关系。采用Phantomv711z相机在521×256分辨率下，49000张每秒下的高速相机拍摄滤光片13后的图像：最后经过图像采集系统15进行图像的处理。
彩色胶片刀口(11)是利用Matlab在计算机上设计生成滤光片图像，然后在反转片上冲洗出来的。设计时可根据实际需要生成具有不同色度变化的滤光片图像。本发明一具体实施方式中采用HSV色彩制式，该方式颜色本身只受色度值的影响，即改变色度(H)变化规律即可设计出不同灵敏度和色度变化范围的滤光片，不受亮度(S)和对比度(V)的影响，改变亮度和对比度可以改变滤光片相应的设计参数。使用Matlab生成滤光片图片后，使用胶卷相机将设计好的滤光片拍摄到胶卷底片上，胶卷采用富士Chrome Velvia RVP 50°反转片，胶卷底片冲洗出来后，底片颜色为实际景物颜色，方便获取所希望的色彩。
时序控制组件中，主要控制频闪光源8、激光器1、相机14按照确定时序进行触发。光电探测器6放置于亚毫秒激光器1出光口探测出光信号，光电探测器6输出信号作为数字延时脉冲发生器7的触发电平，在数字延时脉冲发生器7中进行时序及通道设置，输出两路信号分别触发频闪光源8和相机14，实现三者的同步工作，从而获取激光辐照烧蚀靶材5流场的彩色纹影图像。
基于本发明上述系统的激光烧蚀靶材的冲击波成像方法如下：
步骤一：调整亚毫秒激光器与反射镜和聚焦透镜光轴上的位置，使激光光斑聚焦于烧蚀靶材中心处，将PET薄膜放在聚焦透镜和烧蚀靶材之间，防止溅射损坏聚焦透镜；
步骤二：数字延时脉冲发生器设置为外触发模式，将光电探测器放置在亚毫秒激光器出光口接收出光信号，作为数字延时脉冲发生器触发电平，将闪光源和高速相机通过信号连接线连接数字延时脉冲发生器，数字延时脉冲发生器接受光电探测器的外触发信号产生脉冲信号，闪光源和高速相机接收数字延时脉冲发生器产生脉冲信号实现同步工作状态；
步骤三：调整纹影镜、彩色胶片刀口和成像镜位置，使彩色胶片刀口位于纹影镜和成像镜之间焦点处，将滤波片放置在高速相机前防止高强度光损坏高速相机。
步骤四：开启亚毫秒激光器，调整不同的激光能量烧蚀靶材，利用高速相机实时拍摄激光烧蚀靶材的冲击波以及溅射图像，最后利用图像采集系统对数据进行处理。
本发明通过彩色纹影系统实现对激光烧蚀靶材产生的冲击波及溅射流场演化过程的高分辨率成像，呈现信息量更大、更易识别的流场图像，可用于细致观察和研究激光烧蚀靶材所产生的各种效应。
以上仅为发明的优选实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的思想原则内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种激光烧蚀靶材的冲击波成像系统，其特征在于包括：
亚毫秒激光器(1)、反射镜(2)、聚焦透镜(3)、PET薄膜(4)、烧蚀靶材(5)、光电探测器(6)、数字延时脉冲发生器(7)、闪光源(8)、准直透镜(9)、纹影透镜(10)、彩色胶片刀口(11)、成像透镜(12)、滤波片(13)、高速相机(14)、图像采集系统(15)；
所述亚毫秒激光器(1)发射的激光经反射镜(2)反射，反射的激光再通过聚焦透镜(3)聚焦于烧蚀靶材(5)上，PET薄膜(4)置于聚焦透镜(3)和烧蚀靶材(5)之间防止烧蚀靶材(5)溅射损伤聚焦透镜(3)；
所述数字延时脉冲发生器(7)设置为外触发模式，光电探测器(6)放置在亚毫秒激光器(1)出光口探测出光信号，光电探测器(6)的输出信号作为数字延时脉冲发生器(7)触发电平，闪光源(8)和高速相机(14)通过信号连接线连接到数字延时脉冲发生器(7)，数字延时脉冲发生器(7)根据光电探测器(6)的探测到的出光信号输出触发脉冲信号，使闪光源(8)和高速相机(14)与亚毫秒激光器(1)同步工作；
所述闪光源(8)以确定频率发出光脉冲，经过准直透镜(9)输出平行光穿过激光辐照烧蚀靶材(5)的受作用区域，即烧蚀靶材(5)周围的被测流场，彩色胶片刀口(11)放置在纹影透镜(10)焦点处，被测流场变化的光线经过纹影透镜(10)后聚焦于彩色成像在彩色胶片刀口(11)，光线经彩色胶片刀口后被赋予不同的颜色，而后经通过成像透镜(12)经过滤波片(13)成像在高速相机(14)上，高速相机(14)获得的图像数据经数据线输出到图像采集系统(15)上。
2.如权利要求1所述的激光烧蚀靶材的冲击波成像系统，其特征在于所述亚毫秒激光器(1)的脉宽566μs，激光输出能量在1J～10J，光斑能量分布为平顶分布。
3.如权利要求1所述的激光烧蚀靶材的冲击波成像系统，其特征在于所述反射镜(2)为反射率大于94％，口径50mm，K9光学玻璃，带2个自由度调整镜架。
4.如权利要求1所述的激光烧蚀靶材的冲击波成像系统，其特征在于所述聚焦透镜(3)为消色差光学透镜，焦距100mm，带2个自由度调整镜架。
5.如权利要求1所述的激光烧蚀靶材的冲击波成像系统，其特征在于所述闪光源(8)采用德国HSPS公司的NANO-LITE系列频闪光源，配合NANOLITE Driver使用。
6.如权利要求1所述的激光烧蚀靶材的冲击波成像系统，其特征在于所述准直透镜(9)为消色差光学透镜，焦距为50mm，口径50mm，K9光学玻璃，带两个自由度调整镜架。
7.如权利要求1所述的激光烧蚀靶材的冲击波成像系统，其特征在于所述纹影透镜(10)、成像透镜(12)为消色差光学透镜，焦距为50mm，口径50mm，K9光学玻璃，带两个自由度调整镜架。
8.如权利要求1所述的激光烧蚀靶材的冲击波成像系统，其特征在于所述彩色胶片刀口(11)是利用Matlab在计算机上设计生成滤光片图像，然后在反转片上冲洗出来的。
9.一种基于如权利要求1-8之一所述系统的激光烧蚀靶材的冲击波成像方法，其特征是步骤如下：
步骤一：调整亚毫秒激光器(1)与反射镜(2)和聚焦透镜(3)在光轴上的位置，使激光光斑聚焦于烧蚀靶材(5)中心处，将PET薄膜(4)放在聚焦透镜(3)和烧蚀靶材(5)之间，防止溅射损坏聚焦透镜(3)；
步骤二：数字延时脉冲发生器(7)设置为外触发模式，将光电探测器(6)放置在亚毫秒激光器(1)出光口接收受出光信号，作为数字延时脉冲发生器(7)触发电平，将闪光源(8)和高速相机(14)通过信号连接线连接数字延时脉冲发生器(7)，通过数字延时脉冲发生器(7)触发脉冲信号使闪光源(8)和高速相机(14)进行同步工作状态；
步骤三：调整纹影透镜(10)、彩色胶片刀口(11)和成像透镜(12)位置，使彩色胶片刀口(11)位于纹影透镜(10)和成像透镜(12)之间焦点处，将滤波片(13)放置在高速相机(14)前防止高强度光损坏高速相机(14)。
步骤四：开启亚毫秒激光器(1)，调整不同的激光能量烧蚀靶材，利用高速相机(14)实时拍摄激光烧蚀靶材的冲击波以及溅射图像，最后利用图像采集系统(15)对数据进行处理。
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