不同环境压强下激光空泡特性研究

构建了激光空泡测量实验平台,使用脉冲激光聚焦击穿水介质产生激光空泡,由水听器对激光空泡溃灭辐射声信号进行接收,利用充气泵对高压水箱内的气压进行精确控制。通过仿真计算和实验对不同环境压强下的激光空泡特征和其溃灭时辐射声信号的峰值变化特性进行了研究。结果表明:当环境压强处在0.1~0.7 MPa 范围内变化时,随着环境压强的增大,激光空泡首次脉动周期和空泡最大半径逐渐减小,两者的变化速率逐渐减小。空泡溃灭时辐射声信号的峰值声压在0.1~0.4 MPa内逐渐增大,在0.4~0.7MPa 内逐渐减小,且增大速率大于减小速率。     

固壁旁激光空泡生长和溃灭特性的实验研究

采用两套基于光偏转原理的光纤传感器测量了固壁旁激光空泡脉动全过程及空泡溃灭对靶材造成的破坏。通过实验获得了激光空泡在靶表面两次膨胀收缩的全过程,判定了空泡在两次脉动中对应的最大、最小泡半径和溃灭周期,并推算了空泡泡壁速度随时间的变化关系。此外,在脉冲激光作用下,水中靶材依次受到激光烧蚀压力和激光空泡在固体壁面附近溃灭时产生的射流冲击力的作用,且射流冲击力是造成靶材破坏的主要原因。     

激光空泡溃灭过程的数值计算

提出了激光空泡溃灭的简单计算模型。在确定初始状态时考虑并减去整个溃灭过程中的热传导和水蒸气在空泡壁面的凝结与蒸发因素,这样在计算过程中空泡内的水蒸气质量不变,同时考虑了整个溃灭过程中水的可压缩性。研究了半径1 mm激光空泡的溃灭过程。空泡壁的最大溃灭速度可达1172.8 m/s,空泡中心的最高压强可达8.8728×108 Pa,最高温度11038 K,最小半径15 μm。该模型简单实用,激光空泡初始条件的确定,为研究激光空泡与弹塑性固体壁面的相互作用打下了基础。     

固壁旁激光空泡生长和溃灭特性的实验研究

采用2套基于光偏转原理的光纤传感器(OBD),测量了激光空泡脉动全过程及空泡溃灭对靶材造成的破坏。通过实验获得了激光空泡在靶表面2次膨胀收缩的全过程,判定了空泡在2次脉动中对应的最大、最小泡半径和溃灭周期,并推算了空泡泡壁速度随时间的变化关系。实验发现,在脉冲激光作用下,水中靶材依次受到激光烧蚀压力和射流冲击力作用,且射流冲击力是造成靶材破坏的主要原因。     

环境压强对激光空泡声波特性影响的实验研究

环境压强是影响空泡脉动的一个重要因素.为了研究环境压强对激光空泡声波特性的影响,采用理想液体中单空泡运动的理论模型,对不同环境压强下液体中空泡运动过程进行了数值模拟,并通过充气泵精确调节高压水箱内的气压,采用高速照相机、高频测量水听器,得到了在不同压强条件下,空泡脉动特性的序列图像和声谱图,根据实验数据研究了不同环境压强下液体中激光诱导产生的空泡脉动规律与声波特性.结果表明:环境压强的改变影响了空泡生存周期和脉动的剧烈程度,但对声波的强度和声谱分布没有影响.辐射的频率集中在0~50 kHz 范围内,所辐射的声波能量主要集中在0~20 kHz 频段范围,并在2 kHz 与8 kHz 有两个明显的频率峰值.     

固壁面附近空泡溃灭研究

采用自行研制的基于光偏转原理的力学传感器及压电陶瓷探针式水听器PZT,对激光诱导的空泡在固壁面附近溃灭进行了实验研究。结果表明,在脉冲激光作用下,空泡溃灭将依次产生射流和声脉冲,且射流产生时刻早于空泡溃灭时刻;空泡渍灭过程中泡能转换为声能的比例随脉动次数增加而增大;比较实验所得的声脉冲信号和射流信号,得到了声脉冲是空泡第二次溃灭过程中主要衰减方式的结论。     

表面张力对固壁旁空泡生长和溃灭行为的影响

采用两套光偏转测试装置对不同表面张力液体中激光空泡脉动及溃灭特性进行了实验研究,获得了液体表面张力改变对固壁近旁空泡生长和溃灭过程的影响.结果表明,表面张力延缓了空泡的膨胀过程,加速了空泡的溃灭;表面张力对空泡溃灭的影响要强于对膨胀的影响;液体张力越大,空泡脉动周期越短,且空泡对应的最大泡半径越小而收缩所能达到的最小泡半径亦越小.此外,液体张力越大,射流所产生的瞬时冲击力越大,即表面张力加强了液体射流对固壁的空蚀作用.研究结果可为水下激光加工、激光医疗、空化空蚀相关流体力学的研究提供一定的理论和实验支持.     

激光空泡脉动特性的实验和理论研究

采用自行研制的基于光偏转原理的高灵敏度光纤传感器研究了激光在水中铝靶表面产生的等离子体空泡及其脉动特性。通过实验获得了激光等离子体空泡在靶表面两次膨胀收缩的全过程；判定了空泡在两次脉动中对应的最大和最小泡半径。进而结合空泡溃灭理论，推算了激光空泡在各次脉动周期中含气量的变化。实验结果表明，激光空泡的含气量越小，空泡收缩越剧烈，气泡所能收缩的最小泡半径越小，其相应溃灭周期也越短。     

CO2激光诱导液滴射流等离子体的实验研究

为了研究激光诱导射流等离子体特性,了解激光诱导液滴等离子体的发展过程,基于脉冲激光-液滴同步作用系统,采用阴影法,观测了激光作用液滴的阴影图像,取得了液滴在CO2脉冲激光作用下的演化过程数据。对图像进行处理获得了激光诱导液滴等离子体冲击波膨胀范围随时间的变化,并估算出了产生冲击波的激光能量。结果表明,空气冲击波的膨胀半径在当前观测时间范围内线性膨胀,约32%的激光能量用于产生冲击波。空气冲击波的变化规律对激光诱导液态燃料点火的研究提供了一定的参考依据。     

液体物质中的空化现象实验研究

采用自行研制的光偏转测试系统对强激光诱导液体物质的空化现象进行了实验研究。实验得到了激光等离子体冲击波传播规律和空泡的动力学特性。结果表明,激光等离子体冲击波在其传播过程中迅速衰减为声波;激光空泡的最大泡径随脉动次数增加依次减小,而收缩的最小泡径则由腔内含气量决定。     

激光空泡溃灭辐射声波声谱特性研究

为了对高功率激光与液体物质作用时产生的激光泡溃灭辐射声波的声谱特性进行实验研究,采用压电陶瓷水听器测量了不同情况下的激光泡溃灭声波,对采集的信号经过傅里叶变换后得到相应的声谱进行谱分析.结果表明,激光泡半径大小对应着不同的声波频率,泡半径大的,声波频率较低.这一结果对空化噪声的理论与应用研究是有帮助的.     

液体温度对空泡生长和溃灭过程的影响

采用光偏转测试系统研究了不同温度纯净水中激光空泡脉动过程,通过实验获得了激光空泡在靶表面膨胀和收缩全过程,确定了空泡的最大、最小泡半径、脉动周期和泡壁运动速度。实验采用0℃到70℃的纯净水,测量了空泡的泡半径和脉动周期等特征参量变化情况。实验结果表明,液体温度是影响空泡脉动的一个非常重要的因素,随着液体温度的增加空泡的最大泡半径和溃灭周期均呈增加趋势。给出了相应的理论解释。     

表面张力对空泡脉动特性影响的实验研究

采用光偏转(OBD)测试系统对不同表面张力液体中激光空泡脉动特性进行了实验研究,探测了不同表面张力液体中空泡前2次脉动的全过程,分析了液体表面张力变化对空泡脉动特性的影响。结果表明:表面张力延缓了空泡的膨胀过程,加速了空泡的收缩,缩短了空泡脉动周期;表面张力越大,空泡对应的最大泡半径越小而收缩所能达到的最小泡半径亦越小;表面张力加强了空泡泡能的损失。     

激光与液态物质相互作用机理的研究进展

综述了强激光与液态物质相互作用机理的研究进展和现况。阐述了激光诱导液态物质产生的击穿现象及其伴随着热、声、机械等效应的物理过程。介绍了该机制在工业、医学等应用领域中的重要意义和理论价值。提出了目前尚未解决的问题和未来研究的方向。     

有机玻璃中冲击波衰减特性的研究

为了研究等离子冲击波在有机玻璃中的衰减特性,提出了卸载波追赶效应的分析模型。采用自行研制的光偏转测试系统对该冲击波进行了多点测量。得到了强激光诱导的等离子体冲击波在有机玻璃中的传输速度及压力随传输距离的变化关系。结果表明,理论分析模型和实验测试结果能很好地吻合,冲击波在有机玻璃中传输时具有明显的衰减规律,该衰减耗散特性主要源于卸载波的追赶效应。该结论对研究冲击波在介质中传播具有重要的意义。     

基于小波分析的激光空泡声波特性研究

采用PZT（Piezoelectric Transducer）水听器对激光空泡声波进行了实验研究。利用小波变换对不同激光能量、不同作用金属物质、不同波长下检测的声波信号频谱特性进行了分析。结果表明：激光空泡声波主要频率集中在0～150 kHz范围内,小波分解后,低频a6级信号的能量占总能量的绝大部分,信号的主要频率成分集中在0～20 kHz。     

液体中Cu元素双脉冲激光诱导击穿光谱测量研究

为了研究液体中重金属元素的双脉冲激光诱导击穿光谱,文章通过双脉冲激光诱导击穿光谱(Double Pulse Laser Induced Breakdown Spectroscopy)技术,对竖直流动的CuSO4水溶液样品中Cu元素激光诱导击穿光谱的特性进行测量和分析。实验中使用两台532nm Nd:YAG激光器作为激发光源,等离子体信号通过光栅光谱仪和CCD进行采集。实验考察DP-LIBS积分延时、激光脉冲间隔等参数对LIBS信号的影响。研究结果表明Cu元素双脉冲激发时的等离子体特征谱线发射强度是单脉冲激发时特征谱线发射强度的2倍左右,信噪比约为3.3倍,当两束激光脉冲间隔2~3μs时,谱线发射强度有最大增强,最后由定标曲线拟合结果得到Cu元素在双脉冲检测限为9.87mg/L,比单脉冲LIBS提高了约6倍,实验结果为双脉冲LIBS技术应用于水体中重金属快速检测提供了依据。