[發明專利]一種激光空泡萌生階段行為研究裝置與方法

在審

• 申請號: 201710298494.X
• 申請日: 2017-05-02
• 公開（公告）號: CN107271376A
• 公開（公告）日: 2017-10-20
• 發明（設計）人: 張磊;吳冕;周存山;馬海樂;任曉鋒
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: G01N21/27
• 分類號: G01N21/27;G01N21/71;G01N21/84
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種激光空泡萌生行為研究裝置與方法，可應用于空化機制量化的研究領域，屬于空化技術領域。

背景技術

空化現象在食品和機械等領域廣泛出現，具有“兩面性”，在食品領域中，可利用空化效應進行清洗、降解、提取和酶解等過程；而在流體機械領域中，由于空化效應的存在，導致機械材料被氣蝕，甚至引起設備運行的不穩定性。因此，有必要對空化效應進行深入研究?？栈獊碓从跉馀菰谝后w中成核、生長和潰滅的過程，即空泡脈動行為。

由于激光空泡在試驗操作中更易于控制，能夠較清晰地反映空化現象的產生，從而牽引出很多圍繞激光空泡脈動行為的研究，可分為兩方面：一是從理論上進行研究的空泡徑向運動方程，主要是對空泡半徑在脈動周期中的變化進行數值計算；二是從試驗角度進行的研究，采用高速攝像機記錄空泡脈動過程，利用水聽器獲得空泡脈動過程的噪聲頻譜。這些開展的研究為空化機制地構建奠定了前提條件。但是，其中大多數研究側重于空泡形成后的脈動階段行為，其實不然，就像材料力學中的疲勞裂紋擴展一樣，往往裂紋萌生階段占據了裂紋發展的大多數時間，決定了材料疲勞壽命的長短。類似地，對于空泡萌生階段的行為進行研究，可以有助于了解空泡的初始半徑和脈動周期等，而這些因素往往決定了空泡的空化效能；而且，有效監測空化初生和識別空化狀態也是保障流體機械設備正常運行的重要手段。

當高功率激光聚焦于液體中時，若作用激光能量密度超過液體的擊穿閾值時，在聚焦區域將發生光學擊穿，隨之在空泡萌生階段產生高溫高壓等離子體，該等離子體吸收后續激光能量，對外膨脹，形成沖擊波，直至最終衰減為聲波，空泡空化現象是激光擊穿液體介質時伴隨的主要物理現象之一。

發明內容

本發明針對上述現有技術存在的缺陷不足，提供一種利用檢測激光等離子體來研究空泡萌生階段行為的裝置與方法。

為實現上述目的，本發明技術方案是：通過激光器系統產生激光空泡，研究激光空泡萌生階段伴隨的等離子體；利用等離子體光譜監測系統對等離子體光譜強度進行實時監測，包括采用中階梯光柵光譜儀檢測等離子體強度，采用計算機進行圖譜和數值存儲；利用等離子體射流壓力監測系統對等離子體產生的射流壓力進行實時監測，包括采用壓力傳感器測量等離子體射流力場，采用示波器采集譜線數值并分析；通過該發明不僅能實現空泡萌生階段行為的可視化和數值化研究，而且為在激光加工及其他領域中的應用提供理論依據。

一種激光空泡萌生階段行為研究裝置，包括：激光器系統、等離子體光譜監測系統和等離子體射流壓力監測系統；激光器系統發出激光束與液體相互作用，在空泡萌生階段產生等離子體；利用等離子體光譜監測系統對等離子體光譜進行實時監測，獲得等離子體譜線；利用等離子體射流壓力監測系統對等離子體射流產生的壓力進行實時監測，獲得射流力場分布。

所述激光器系統，包括激光器本體、全反射鏡、擴束鏡和聚焦透鏡；激光器本體產生激光束；經全反射鏡反射，改變激光束傳播方向，激光束由平行傳播轉變為垂直傳播；變向后的激光束經擴束鏡擴束，激光束直徑和發散角發生改變；擴束后的激光束，經聚焦透鏡聚焦，擊穿液體，在空泡萌生階段出現等離子體。

所述等離子體光譜監測系統，用于實時監測激光器系統產生的等離子體譜線，包括光纖探頭、光纖、中階梯光柵光譜儀、ICCD相機、光電探測器、延時器、電線和電腦；光纖探頭對準激光束聚焦點處，監測并收集等離子體；用光纖將光纖探頭與中階梯光柵光譜儀一端相連；中階梯光柵光譜儀另一端安裝有ICCD相機，ICCD相機作為探測器件進行成像；裝有ICCD相機的中階梯光柵光譜儀與延時器、光電探測器用電線依次連接，裝有ICCD相機的中階梯光柵光譜儀由延時器和光電探測器控制，光電探測器接受等離子體信號并觸發延時器進行工作；最后將中階梯光柵光譜儀采集到的信號傳入計算機進行處理分析。

所述等離子體射流壓力監測系統，用于實時監測等離子體射流對應的壓力分布情況，包括壓力傳感器、示波器、支架和電線；壓力傳感器通過支架固定在液體中，當等離體子作用在壓力傳感器上時，壓力傳感器會采集到相應的信號，并傳輸到示波器中，以電壓的形式表示出來；依據帕邢定律，利用等離子體壓力和擊穿電壓之間的函數關系，建立“擊穿電壓—壓力”曲線，獲得等離子體射流壓力，將空泡萌生階段等離子體射流力場數值化。

基于上述一種激光空泡萌生階段行為研究裝置的檢測方法，按照下述步驟進行：