激光誘導(dǎo)產(chǎn)生等離子體墻屏蔽沖擊波傳播的裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種激光誘導(dǎo)產(chǎn)生等離子體墻屏蔽沖擊波傳播的裝置和方法，屬于沖擊波屏蔽防護技術(shù)領(lǐng)域。該裝置包括由YAG激光器、透鏡組成的入射單元，由成像透鏡、濾波片、干涉濾波片組成的信號接收單元，由平凹透鏡，平凸透鏡組成的擴束系統(tǒng)，由反射鏡、聚焦透鏡及籠式系統(tǒng)組成的光束爬高系統(tǒng)，由半波片、格蘭棱鏡、平凹??凸透球面鏡組成的等離子體墻可控產(chǎn)生系統(tǒng)，由延時觸發(fā)器組成的時間控制系統(tǒng)。該裝置能清晰觀察等離子體墻屏蔽沖擊波的時空演化過程以及沖擊波波前畸變甚至破碎現(xiàn)象。本裝置結(jié)構(gòu)簡單，等離子體屏蔽沖擊波傳播效果明顯，具有較好的可移動性和操作性，本發(fā)明將在沖擊波的屏蔽防護技術(shù)領(lǐng)域得到長足發(fā)展。
【專利說明】
激光誘導(dǎo)產(chǎn)生等離子體墻屏蔽沖擊波傳播的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種利用激光誘導(dǎo)產(chǎn)生等離子體墻屏蔽沖擊波傳播的裝置和方法，屬于沖擊波的屏蔽防護技術(shù)領(lǐng)域?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]近年來，意外爆炸給人們的生命財產(chǎn)帶來了巨大的損失，在爆炸過程中往往都伴隨著碎片和沖擊波的擴散，其中碎片可以用裝甲門或防彈衣?lián)踝。鼈儗_擊波傳播的屏蔽效果是有限的。沖擊波(shock wave)是一種在介質(zhì)中傳播的不連續(xù)峰，導(dǎo)致介質(zhì)中壓強、溫度、密度等物理性質(zhì)發(fā)生跳躍式改變。無論是化學(xué)性爆炸還是物理性爆炸，都會形成強大的空氣沖擊波向四周運動，以高壓作用在障礙物上，給目標(biāo)造成很大的沖量和超壓，使目標(biāo)遭受到不同程度的破壞[Journal of Trauma and Acute Care Surgery, 1996，40 (3S): 105S-110S]，所以沖擊波屏蔽防護研究對國防和工程應(yīng)用都具有重要意義。最近，波音公司通過電磁弧減弱沖擊波的方法和體系，然而這種技術(shù)尚且存在一定的局限性，對于高強度爆炸產(chǎn)生的沖擊波效果也是有限的[http: //mt.sohu.com/20 150325/ n410290510.shtml]。隨著高能激光技術(shù)的發(fā)展，激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的沖擊波對材料的破壞效應(yīng)具有應(yīng)用可能，因此若要實現(xiàn)對高強度爆炸產(chǎn)生的沖擊波的屏蔽防護，利用激光產(chǎn)生的等離子體墻屏蔽沖擊波的傳播將成為發(fā)展趨勢；本發(fā)明提出利用脈沖激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子體墻屏蔽沖擊波傳播，采用陰影成像診斷技術(shù)，通過分析等離子體墻與沖擊波的碰撞在時間上和空間上的演化過程發(fā)現(xiàn)，等離子體與沖擊波發(fā)生作用，出現(xiàn)沖擊波波前畸變甚至破碎現(xiàn)象，存在等離子體屏蔽沖擊波過程。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決爆炸產(chǎn)生沖擊波的擴散對人們的生命財產(chǎn)造成巨大損失的問題，本發(fā)明提供了一種利用激光產(chǎn)生的等離子體墻屏蔽沖擊波的傳播的防護裝置和方法，包括納秒激光器1、納秒激光器2、納秒激光器3、半波片4、格蘭棱鏡5、擴束系統(tǒng)(平凹透鏡6和平凸透鏡 7)、柱面透鏡8、擴束系統(tǒng)(平凹透鏡9和平凸透鏡10)、成像透鏡11、濾光系統(tǒng)(濾波片12和干涉濾波片13)、(XD相機14、計算機15、爬高系統(tǒng)(全反鏡(三個)16、聚焦透鏡17)、延時觸發(fā)器(兩個)18;其中納秒激光器1在其輸出光束的光軸上依次與半波片4、格蘭棱鏡5、擴束系統(tǒng)(平凹透鏡6和平凸透鏡7)、柱面透鏡8鏈接;其中納秒激光器2在其輸出光束的光軸上依次與全反鏡(三個)16、聚焦透鏡17連接;其中納秒激光器3在其輸出光束的光軸上依次與平凹透鏡9、平凸透鏡10、成像透鏡11、濾波片12、干涉濾波片13、(XD相機14鏈接;延時觸發(fā)器 (兩個)18、分別與納秒激光器1、納秒激光器2、納秒激光器3、CCD相機14、鏈接;(XD相機14 與計算機15鏈接；納秒激光器1采用的是中心波長1 〇64nm、脈寬10ns、重復(fù)頻率10Hz、光斑直徑8mm的調(diào)Q Nd:YAG激光器，輸出的脈沖激光作為主脈沖;納秒激光器2采用的是中心波長1064nm、脈寬 10ns、重復(fù)頻率10Hz、光斑直徑8mm的調(diào)Q Nd: YAG激光器，輸出的脈沖激光作為次脈沖;納秒激光器3采用的是中心波長532nm、脈寬8ns、重復(fù)頻率10Hz的調(diào)Q Nd:YAG激光器，輸出的脈沖激光作為探測光；由半波片4、格蘭棱鏡5構(gòu)成的能量改變系統(tǒng)，用來改變主脈沖激光的脈沖能量；由平凸透鏡9平凹透鏡10構(gòu)成的激光擴束系統(tǒng)，使光束直徑擴大10倍；由濾波片12干涉濾波片13成的濾光系統(tǒng)，其用來過濾特定波段以外的雜散光；由全反鏡(三個)16聚焦透鏡17成的爬高系統(tǒng)，其用來形成由上到下垂直入射的激光脈沖；利用激光產(chǎn)生的等離子體屏蔽沖擊波傳播的裝置屏蔽過程如下:由上述的納秒激光器1發(fā)出的脈沖激光作為主脈沖，通過半波片4、格蘭棱鏡5、擴束系統(tǒng)(平凹透鏡6和平凸透鏡7)、柱面透鏡8產(chǎn)生等離子體墻。納秒激光器2發(fā)出的脈沖激光經(jīng)過爬高系統(tǒng)，形成由上到下垂直入射的激光脈沖，誘導(dǎo)擊穿空氣產(chǎn)生沖擊波，由于等離子體墻對沖擊波的吸收屏蔽作用，會出現(xiàn)等離子體墻屏蔽沖擊波傳播現(xiàn)象。納秒激光器3輸出 532nm脈沖激光作為探測光，經(jīng)過擴束系統(tǒng)(平凹透鏡9和平凸透鏡10)將光斑擴大數(shù)倍后以垂直激光誘導(dǎo)擊穿空氣的方向照射在等離子體墻屏蔽沖擊波區(qū)域上，經(jīng)過成像透鏡11和濾光系統(tǒng)(濾波片12和干涉濾波片13)成像在CCD相機14內(nèi)，CCD相機14將數(shù)據(jù)傳輸給計算機進行處理和分析。【附圖說明】
[0004]圖1是本發(fā)明利用激光產(chǎn)生的等離子體墻屏蔽沖擊波傳播的裝置結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明籠式爬高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明濾光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖4是本發(fā)明等離子體墻可控結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖；圖5是本發(fā)明裝置及方法下等離子體墻屏蔽沖擊波的陰影圖；圖6是本發(fā)明利用激光產(chǎn)生的等離子體屏蔽沖擊波傳播的裝置和方法的流程圖。【具體實施方式】
[0005]本發(fā)明是一種利用激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子體墻屏蔽沖擊波傳播的裝置和方法，如圖1、圖2、圖3、圖4所示為該發(fā)明裝置圖，包括納秒激光器1、納秒激光器2、納秒激光器3、半波片4、格蘭棱鏡5、擴束系統(tǒng)(平凹透鏡6和平凸透鏡7)、柱面透鏡8、擴束系統(tǒng)(平凹透鏡9和平凸透鏡10)、成像透鏡11、濾光系統(tǒng)(濾波片12和干涉濾波片13)、CCD相機14、計算機15、 爬高系統(tǒng)(全反鏡(三個)16、聚焦透鏡17)、延時觸發(fā)器(兩個)18;納秒激光器1采用的是中心波長1 〇64nm、脈寬10ns、重復(fù)頻率10Hz、光斑直徑8mm的調(diào)Q Nd: YAG激光器，輸出的脈沖激光作為主脈沖，其產(chǎn)生的納秒激光脈沖經(jīng)過半波片4、格蘭棱鏡5、擴束系統(tǒng)(平凹透鏡6和平凸透鏡7)、柱面透鏡8,形成等離子體墻；納秒激光器2采用的是中心波長1064nm、脈寬10ns、重復(fù)頻率10Hz、光斑直徑8mm的調(diào)Q Nd: YAG激光器，輸出的脈沖激光作為次脈沖，其產(chǎn)生的納秒激光脈沖經(jīng)過爬高系統(tǒng)(全反鏡 (三個)16、聚焦透鏡17)形成由上到下垂直入射的激光脈沖，產(chǎn)生沖擊波；納秒激光器3采用的是中心波長532nm、脈寬8ns、重復(fù)頻率10Hz的調(diào)Q Nd:YAG激光器， 其產(chǎn)生的納秒激光脈沖經(jīng)過擴束系統(tǒng)(平凹透鏡9和平凸透鏡10)，以垂直激光誘導(dǎo)擊穿空氣的方向照射在等離子體墻屏蔽沖擊波區(qū)域上，經(jīng)過成像透鏡11和濾光系統(tǒng)(濾波片12和干涉濾波片13)成像在CCD相機14內(nèi)，CCD相機14將數(shù)據(jù)傳輸給計算機進行處理和分析；由半波片4、格蘭棱鏡5構(gòu)成的能量改變系統(tǒng)，用來改變主脈沖激光的能量；由平凸透鏡9和平凹透鏡10連接構(gòu)成的光斑擴束系統(tǒng)，其使光斑擴大10倍左右；由半波片4、格蘭棱鏡5、平凹透鏡6、平凸透鏡7鏈接構(gòu)成的等離子體墻可控結(jié)構(gòu)系統(tǒng)， 可控制等離子體墻的厚度和高度；由濾波片12和干涉濾波片13構(gòu)成的濾光系統(tǒng)，其中濾波片為中性密度濾波片，干涉濾波片的中心波長為532nm，其用過濾532nm以外的雜散光；CCD相機14為面陣成像CCD;電腦主機13內(nèi)裝有CCD相機14的圖像測量軟件；由全反鏡(三個)16和聚焦透鏡17組成的爬高系統(tǒng)，其用來形成垂直入射的脈沖激光； 利用Stanford Research System公司的兩臺數(shù)字延時觸發(fā)器DG645,改變探測光和CO) 相機14之間的不同延時，觀察等離子體屏蔽沖擊波傳播的過程圖；所述的操作流程如圖6所示。結(jié)合硬件操作流程并說明本發(fā)明的操作步驟如下:執(zhí)行步驟19，開始，裝置自檢；自檢正常，執(zhí)行步驟20;執(zhí)行步驟20，開啟納秒激光器1，納秒激光器2，納秒激光器3，產(chǎn)生納秒激光脈沖；執(zhí)行步驟21，經(jīng)過能量改變系統(tǒng)和爬高系統(tǒng)，形成等離子體墻屏蔽沖擊波傳播現(xiàn)象；執(zhí)行步驟22,同時經(jīng)過擴束系統(tǒng)(平凸透鏡7和平凹透鏡8)，以垂直激光誘導(dǎo)擊穿空氣的方向照射在等離子體墻屏蔽沖擊波區(qū)域上；執(zhí)行步驟23,經(jīng)過成像透鏡11和濾光系統(tǒng)(濾波片12和干涉濾波片13)成像在CCD相機 14內(nèi)，CCD相機14將數(shù)據(jù)傳遞給計算機，通過使用計算機15得到陰影圖；執(zhí)行步驟24,結(jié)束。
【主權(quán)項】
1.激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子體墻屏蔽沖擊波傳播的裝置和方法，包括納秒激光器1、納秒 激光器2、納秒激光器3、半波片4、格蘭棱鏡5、平凹透鏡6、平凸透鏡7、柱面透鏡8、擴束系統(tǒng) (平凸透鏡9和平凹透鏡10、成像透鏡11、濾光系統(tǒng)(濾波片12和干涉濾波片13)、CCD相機14、 計算機15爬高系統(tǒng)(全反鏡(三個)16、聚焦透鏡17、延時觸發(fā)器(兩個)18其中納秒激光器1 在其輸出光束的光軸上依次與半波片4、格蘭棱鏡5、平凹透鏡6、平凸透鏡7、柱面透鏡8鏈 接;其中納秒激光器2在其輸出光束的光軸上依次與全反鏡(三個)16、聚焦透鏡17接;其中 納秒激光器3在其輸出光束的光軸上依次與平凹透鏡9、平凸透鏡10、成像透鏡11、濾波片 12、干涉濾波片13、(XD相機14接;延時觸發(fā)器(兩個)18分別與納秒激光器1、納秒激光器2、 納秒激光器3、C⑶相機14鏈接;C⑶相機14與計算機15接；納秒激光器1采用的是中心波長l〇64nm、脈寬10ns、重復(fù)頻率10Hz、光斑直徑8mm的調(diào)Q Nd: YAG激光器，輸出的脈沖激光作為主脈沖，其產(chǎn)生的納秒激光脈沖經(jīng)過半波片4、格蘭棱 鏡5、平凹透鏡6、平凸透鏡7、柱面透鏡8、形成等離子體墻；納秒激光器2采用的是中心波長1064nm、脈寬10ns、重復(fù)頻率10Hz、光斑直徑8mm的調(diào)Q Nd: YAG激光器，輸出的脈沖激光作為次脈沖，其產(chǎn)生的納秒激光脈沖經(jīng)過爬高系統(tǒng)全反鏡 (三個)16、聚焦透鏡17形成由上到下垂直入射的激光脈沖，產(chǎn)生沖擊波；納秒激光器3采用的是中心波長532nm、脈寬8ns、重復(fù)頻率10Hz的調(diào)Q Nd:YAG激光器， 其產(chǎn)生的納秒激光脈沖經(jīng)過擴束系統(tǒng)(平凹透鏡9和平凸透鏡10)，以垂直燒蝕激光的方向 照射在等離子體墻屏蔽沖擊波區(qū)域上，經(jīng)過成像透鏡11和濾光系統(tǒng)(濾波片12和干涉濾波 片13)成像在CCD相機14，CD相機14據(jù)傳輸給計算機進行處理和分析。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述激光誘導(dǎo)產(chǎn)生等離子體墻屏蔽沖擊波傳播的裝置和方法，其特 征在于納秒激光器1采用的是中心波長l〇64nm、脈寬10ns、重復(fù)頻率10Hz、光斑直徑8mm的調(diào) Q Nd: YAG激光器，輸出的脈沖激光作為主脈沖，其產(chǎn)生的納秒激光脈沖經(jīng)過半波片4、格蘭 棱鏡5、平凹透鏡6、平凸透鏡7、柱面透鏡8形成厚度和高度可控的等離子體墻。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述激光誘導(dǎo)產(chǎn)生等離子體墻屏蔽沖擊波傳播的裝置和方法，其特 征在于利用陰影成像診斷技術(shù)，可清晰的觀察到等離子體墻與沖擊波的碰撞在時間上和空 間上的演化過程，出現(xiàn)沖擊波波前畸變甚至破碎現(xiàn)象，存在等離子體墻屏蔽沖擊波傳播過 程。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述激光產(chǎn)生的等離子體墻屏蔽沖擊波傳播的裝置，其特征在于納 秒激光器2采用的是中心波長1064nm、脈寬10ns、重復(fù)頻率10Hz、光斑直徑8mm的調(diào)Q Nd:YAG 激光器，其產(chǎn)生的納秒激光脈沖經(jīng)過爬高系統(tǒng)全反鏡(三個)16、聚焦透鏡17形成由上到下 垂直入射的激光脈沖，擊穿空氣產(chǎn)生可控大小的沖擊波且沖擊波與等離子體墻的間距可 控。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述激光誘導(dǎo)產(chǎn)生等離子體墻屏蔽沖擊波傳播的裝置和方法，其特 征在于使用納秒激光器通過擴束系統(tǒng)經(jīng)柱面透鏡產(chǎn)生厚度和高度可控的等離子體墻來屏 蔽沖擊波的實驗方法。
【文檔編號】G01N21/73GK106093013SQ201610411901
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月13日 公開號201610411901.9, CN 106093013 A, CN 106093013A, CN 201610411901, CN-A-106093013, CN106093013 A, CN106093013A, CN201610411901, CN201610411901.9
【發(fā)明人】高 勛, 袁迪, 林景全
【申請人】長春理工大學(xué)