本發(fā)明涉及一種激光空泡萌生行為研究裝置與方法，可應(yīng)用于空化機(jī)制量化的研究領(lǐng)域，屬于空化技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

空化現(xiàn)象在食品和機(jī)械等領(lǐng)域廣泛出現(xiàn)，具有“兩面性”，在食品領(lǐng)域中，可利用空化效應(yīng)進(jìn)行清洗、降解、提取和酶解等過程；而在流體機(jī)械領(lǐng)域中，由于空化效應(yīng)的存在，導(dǎo)致機(jī)械材料被氣蝕，甚至引起設(shè)備運(yùn)行的不穩(wěn)定性。因此，有必要對(duì)空化效應(yīng)進(jìn)行深入研究?？栈?yīng)來源于氣泡在液體中成核、生長和潰滅的過程，即空泡脈動(dòng)行為。

由于激光空泡在試驗(yàn)操作中更易于控制，能夠較清晰地反映空化現(xiàn)象的產(chǎn)生，從而牽引出很多圍繞激光空泡脈動(dòng)行為的研究，可分為兩方面：一是從理論上進(jìn)行研究的空泡徑向運(yùn)動(dòng)方程，主要是對(duì)空泡半徑在脈動(dòng)周期中的變化進(jìn)行數(shù)值計(jì)算；二是從試驗(yàn)角度進(jìn)行的研究，采用高速攝像機(jī)記錄空泡脈動(dòng)過程，利用水聽器獲得空泡脈動(dòng)過程的噪聲頻譜。這些開展的研究為空化機(jī)制地構(gòu)建奠定了前提條件。但是，其中大多數(shù)研究側(cè)重于空泡形成后的脈動(dòng)階段行為，其實(shí)不然，就像材料力學(xué)中的疲勞裂紋擴(kuò)展一樣，往往裂紋萌生階段占據(jù)了裂紋發(fā)展的大多數(shù)時(shí)間，決定了材料疲勞壽命的長短。類似地，對(duì)于空泡萌生階段的行為進(jìn)行研究，可以有助于了解空泡的初始半徑和脈動(dòng)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(jiān)測空化初生和識(shí)別空化狀態(tài)也是保障流體機(jī)械設(shè)備正常運(yùn)行的重要手段。

當(dāng)高功率激光聚焦于液體中時(shí)，若作用激光能量密度超過液體的擊穿閾值時(shí)，在聚焦區(qū)域?qū)l(fā)生光學(xué)擊穿，隨之在空泡萌生階段產(chǎn)生高溫高壓等離子體，該等離子體吸收后續(xù)激光能量，對(duì)外膨脹，形成沖擊波，直至最終衰減為聲波，空泡空化現(xiàn)象是激光擊穿液體介質(zhì)時(shí)伴隨的主要物理現(xiàn)象之一。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)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(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明技術(shù)方案是：通過激光器系統(tǒng)產(chǎn)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(jiān)測系統(tǒng)對(duì)等離子體光譜強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，包括采用中階梯光柵光譜儀檢測等離子體強(qiáng)度，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖譜和數(shù)值存儲(chǔ)；利用等離子體射流壓力監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)等離子體產(chǎn)生的射流壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)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(shù)值并分析；通過該發(fā)明不僅能實(shí)現(xiàn)空泡萌生階段行為的可視化和數(shù)值化研究，而且為在激光加工及其他領(lǐng)域中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

一種激光空泡萌生階段行為研究裝置，包括：激光器系統(tǒng)、等離子體光譜監(jiān)測系統(tǒng)和等離子體射流壓力監(jiān)測系統(tǒng)；激光器系統(tǒng)發(fā)出激光束與液體相互作用，在空泡萌生階段產(chǎn)生等離子體；利用等離子體光譜監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)等離子體光譜進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，獲得等離子體譜線；利用等離子體射流壓力監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)等離子體射流產(chǎn)生的壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，獲得射流力場分布。

所述激光器系統(tǒng)，包括激光器本體、全反射鏡、擴(kuò)束鏡和聚焦透鏡；激光器本體產(chǎn)生激光束；經(jīng)全反射鏡反射，改變激光束傳播方向，激光束由平行傳播轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪眰鞑?；變向后的激光束?jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束，激光束直徑和發(fā)散角發(fā)生改變；擴(kuò)束后的激光束，經(jīng)聚焦透鏡聚焦，擊穿液體，在空泡萌生階段出現(xiàn)等離子體。

所述等離子體光譜監(jiān)測系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測激光器系統(tǒng)產(chǎn)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(jī)、光電探測器、延時(shí)器、電線和電腦；光纖探頭對(duì)準(zhǔn)激光束聚焦點(diǎn)處，監(jiān)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(jī)，iccd相機(jī)作為探測器件進(jìn)行成像；裝有iccd相機(jī)的中階梯光柵光譜儀與延時(shí)器、光電探測器用電線依次連接，裝有iccd相機(jī)的中階梯光柵光譜儀由延時(shí)器和光電探測器控制，光電探測器接受等離子體信號(hào)并觸發(fā)延時(shí)器進(jìn)行工作；最后將中階梯光柵光譜儀采集到的信號(hào)傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理分析。

所述等離子體射流壓力監(jiān)測系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測等離子體射流對(duì)應(yīng)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(dāng)?shù)入x體子作用在壓力傳感器上時(shí)，壓力傳感器會(huì)采集到相應(yīng)的信號(hào)，并傳輸?shù)绞静ㄆ髦校噪妷旱男问奖硎境鰜?；依?jù)帕邢定律，利用等離子體壓力和擊穿電壓之間的函數(shù)關(guān)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(shù)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(jìn)行：

(1)激光器本體產(chǎn)生激光束，經(jīng)全反射鏡反射，改變激光束傳播方向，激光束由平行傳播轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪毕蛳碌貍鞑?，變向后的激光束?jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束和聚焦透鏡聚焦，擊穿液體，在空泡萌生階段出現(xiàn)等離子體；

(2)將光纖探頭對(duì)準(zhǔn)激光束聚焦點(diǎn)處，監(jiān)測并收集等離子體，經(jīng)光纖傳輸至裝有iccd相機(jī)的中階梯光柵光譜儀，光電探測器接受等離子體信號(hào)觸發(fā)延時(shí)器進(jìn)行工作，并一起控制中階梯光柵光譜儀，最后將中階梯光柵光譜儀采集到的信號(hào)傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理分析；

(3)在等離子體光譜監(jiān)測的同時(shí)，對(duì)等離子體射流壓力也實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)?shù)入x體子作用在壓力傳感器上時(shí)，壓力傳感器會(huì)采集到相應(yīng)的信號(hào)，并傳輸?shù)绞静ㄆ髦?，以電壓的形式表示出來，依?jù)帕邢定律，利用等離子體壓力和擊穿電壓之間的函數(shù)關(guān)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(shù)值化。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下的優(yōu)點(diǎn)：

(1)通過該發(fā)明能實(shí)現(xiàn)空泡萌生階段行為的可視化和數(shù)值化研究；

(2)空泡空化理論的建立提供研究方法和手段。

附圖說明

圖1為單激光空泡萌生階段行為研究裝置示意圖；

圖2為雙激光空泡萌生階段行為研究裝置示意圖；

其中，11.激光器本體；12.全反射鏡；13.擴(kuò)束鏡；14.聚焦透鏡；15.激光束；16.液體；17.空泡；18.等離子體；19.半透半反鏡；21.光纖探頭；22.光纖；23.中階梯光柵光譜儀；24.iccd相機(jī)；25.光電探測器；26.延時(shí)器；27.電線；28.計(jì)算機(jī)；31.壓力傳感器；32.示波器；33.支架。

圖3為等離子體射流壓力圖。

具體實(shí)施方案

為更好說明本專利的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)，下面將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

一種激光空泡萌生階段行為研究裝置，包括：激光器系統(tǒng)、等離子體光譜監(jiān)測系統(tǒng)和等離子體射流壓力監(jiān)測系統(tǒng)；所述激光器系統(tǒng)，包括激光器本體11、全反射鏡12、擴(kuò)束鏡13和聚焦透鏡14，激光器本體11產(chǎn)生激光束15，經(jīng)全反射鏡12反射，改變激光束15傳播方向，變向后的激光束15經(jīng)擴(kuò)束鏡13擴(kuò)束，擴(kuò)束后的激光束15，經(jīng)聚焦透鏡14聚焦，擊穿液體16，在空泡17萌生階段出現(xiàn)等離子體18；所述等離子體光譜監(jiān)測系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測激光器系統(tǒng)產(chǎn)生的等離子體譜線，包括光纖探頭21、光纖22、中階梯光柵光譜儀23、iccd相機(jī)24、光電探測器25、延時(shí)器26、電線27和計(jì)算機(jī)28，光纖探頭21對(duì)準(zhǔn)激光束15聚焦點(diǎn)處，監(jiān)測并收集等離子體18，用光纖22將光纖探頭21與中階梯光柵光譜儀23一端相連，中階梯光柵光譜儀23另一端安裝有iccd相機(jī)24，iccd相機(jī)24作為探測器件進(jìn)行成像，裝有iccd相機(jī)24的中階梯光柵光譜儀23與延時(shí)器26、光電探測器25用電線27依次連接，裝有iccd相機(jī)24的中階梯光柵光譜儀23由延時(shí)器26和光電探測器25控制，光電探測器25接受等離子體信號(hào)并觸發(fā)延時(shí)器26進(jìn)行工作，最后將中階梯光柵光譜儀23采集到的信號(hào)傳入計(jì)算機(jī)28進(jìn)行處理分析；所述等離子體射流壓力監(jiān)測系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測等離子體射流對(duì)應(yīng)的壓力分布情況，包括壓力傳感器31、示波器32和支架33和電線27，壓力傳感器31通過支架33固定在液體16中，當(dāng)?shù)入x體子18作用在壓力傳感器31上時(shí)，壓力傳感器31會(huì)采集到相應(yīng)的信號(hào)，并傳輸?shù)绞静ㄆ?2中，以電壓的形式表示出來；依據(jù)帕邢定律，利用等離子體壓力和擊穿電壓之間的函數(shù)關(guān)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(shù)值化。

圖1是單激光空泡萌生階段行為研究裝置示意圖，激光器本體11產(chǎn)生激光束15，經(jīng)全反射鏡12反射，改變激光束15傳播方向，激光束15由平行傳播轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪毕蛳碌貍鞑?，變向后的激光?5經(jīng)擴(kuò)束鏡13擴(kuò)束和聚焦透鏡14聚焦，擊穿液體16，在空泡17萌生階段出現(xiàn)等離子體18；同時(shí)，將光纖探頭21對(duì)準(zhǔn)激光束15聚焦點(diǎn)處，監(jiān)測并收集等離子體18，經(jīng)光纖22傳輸至裝有iccd相機(jī)24的中階梯光柵光譜儀23，光電探測器25接受等離子體信號(hào)并觸發(fā)延時(shí)器26進(jìn)行工作，光電探測器25和延時(shí)器26用電線27連接，一起控制中階梯光柵光譜儀23，最后將中階梯光柵光譜儀23采集到的信號(hào)傳入計(jì)算機(jī)28進(jìn)行處理分析；在等離子體光譜監(jiān)測的同時(shí)，對(duì)等離子體射流壓力也實(shí)時(shí)監(jiān)測，壓力傳感器31通過支架33固定在液體16中，當(dāng)?shù)入x體子18作用在壓力傳感器31上時(shí)，壓力傳感器31會(huì)采集到相應(yīng)的信號(hào)，并傳輸?shù)绞静ㄆ?2中，以電壓的形式表示出來；依據(jù)帕邢定律，利用等離子體壓力和擊穿電壓之間的函數(shù)關(guān)系，建立“擊穿電壓—壓力”曲線，獲得等離子體18射流壓力。

圖2是雙激光空泡萌生階段行為研究裝置示意圖，激光器本體11產(chǎn)生激光束15，經(jīng)半透半反鏡19，產(chǎn)生兩路激光束15，一路激光束15被反射，由平行傳播轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪毕蛳聜鞑?，另一路激光?5保持原來的傳輸方向繼續(xù)傳播，經(jīng)全反射鏡12反射，也由平行傳播轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪毕蛳聜鞑?，變向后的兩路激光?5分別經(jīng)擴(kuò)束鏡13擴(kuò)束和聚焦透鏡14聚焦，擊穿液體16，在兩處空泡17萌生階段出現(xiàn)兩處等離子體18；用光纖探頭21監(jiān)測并收集兩處等離子體18共同作用所形成的等離子體光譜強(qiáng)度，經(jīng)光纖22傳輸至裝有iccd相機(jī)24的中階梯光柵光譜儀23，光電探測器25接受等離子體信號(hào)并觸發(fā)延時(shí)器26進(jìn)行工作，并一起控制中階梯光柵光譜儀23，最后將中階梯光柵光譜儀23采集到的信號(hào)傳入計(jì)算機(jī)28進(jìn)行處理分析；在兩處等離子體光譜監(jiān)測的同時(shí)，對(duì)兩處等離子體射流壓力也進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)兩處等離體子18分別作用在兩個(gè)壓力傳感器31上時(shí)，壓力傳感器31會(huì)采集到相應(yīng)的信號(hào)，并傳輸?shù)绞静ㄆ?2中，以電壓的形式表示出來；依據(jù)帕邢定律，獲得等離子體射流壓力。

實(shí)施例1

波長為1064nm、脈寬為20ns和激光能量為6j的激光器本體產(chǎn)生激光束，經(jīng)全反射鏡反射，擴(kuò)束鏡擴(kuò)束和聚焦透鏡聚焦，擊穿去離子水，在空泡萌生階段出現(xiàn)等離子體；同時(shí)，將光纖探頭對(duì)準(zhǔn)激光束聚焦點(diǎn)處，監(jiān)測并收集等離子體，裝有iccd相機(jī)的中階梯光柵光譜儀進(jìn)行檢測，其檢測范圍為300-800nm，分辨率為0.1nm，采集曝光時(shí)間為0.3s，采集門寬為70μs，光譜儀和延遲器的采集門延時(shí)設(shè)為12μs；另外，光電探測器接受等離子體信號(hào)并觸發(fā)延時(shí)器進(jìn)行工作，控制中階梯光柵光譜儀運(yùn)行；在等離子體光譜監(jiān)測的同時(shí)，對(duì)等離子體射流壓力也進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)?shù)入x體子作用在壓力傳感器上時(shí)，壓力傳感器會(huì)采集到相應(yīng)的信號(hào)，并傳輸?shù)绞静ㄆ髦校噪妷旱男问奖硎境鰜?，再依?jù)帕邢定律，利用等離子體壓力和擊穿電壓之間的函數(shù)關(guān)系：u＝bpd/ln[apd/ln(1+1/γ)]，其中，a和b是常數(shù)，p是氣壓，d是激光聚焦光斑與壓力傳感器之間的距離，γ為離子撞擊壓電傳感器時(shí)所發(fā)生的電子發(fā)射的過程系數(shù)。最后，“擊穿電壓—壓力”曲線可以建立，獲得等離子體射流壓力，如圖3所示。