一種制備球形空泡的裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種制備球形空泡的裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 空化空蝕現(xiàn)象是存在于液體介質(zhì)的一種特有現(xiàn)象。它可以是有害的，也可以轉(zhuǎn)化 為加工工具為人類的生產(chǎn)和生活服務(wù)?？栈且后w內(nèi)部氣體空泡形成、發(fā)展、脈動和潰滅的 過程，空蝕是空泡脈動形成的微激波與微射流，攻擊材料表面形成損傷的過程。高速水流極 易產(chǎn)生空蝕，百米級的高壩產(chǎn)生的空蝕破壞會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，甚至造成重大的 災(zāi)難性事故。在水利機(jī)械、水下潛艇等水下設(shè)施在運(yùn)行過程也不可避免受到空蝕問題的困 擾，空蝕問題一直是關(guān)系國計民生以及國家安全的水力機(jī)械設(shè)計和制造、科學(xué)研宄和水電 站運(yùn)行等領(lǐng)域非常重視的問題。同時空化瞬間可聚集高能量，通過有效控制，可廣泛應(yīng)用于 眾多工業(yè)領(lǐng)域，如清洗、制漿、材料切割、巖石破碎、油井解堵、材料的超細(xì)粉碎、改善材料的 表面性能、有機(jī)污染物降解、促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)等。
[0003] 研宄空化現(xiàn)象、抑制空蝕問題、轉(zhuǎn)換空化能量，關(guān)鍵在于系統(tǒng)認(rèn)識空泡的特性及影 響。由于空泡產(chǎn)生時在液體內(nèi)會有瞬時的高溫（數(shù)萬開爾文）和高壓（數(shù)百兆帕甚至高達(dá) 吉帕）現(xiàn)象，可形成強(qiáng)烈的沖擊波和高速度的微射流，涉及流體力學(xué)、光學(xué)、物理、化學(xué)等多 學(xué)科內(nèi)容，因此到目前為止對空化空蝕機(jī)理還沒有一個令人信服的解釋。
[0004] 空泡的類型有動力泡、火花泡、聲空泡和激光空泡等。前三種空泡缺乏球?qū)ΨQ性， 不易控制，且空泡對外部的環(huán)境敏感，很難徹底揭示空泡的產(chǎn)生機(jī)理和影響因素。激光空泡 是采用能量高度集中的激光誘導(dǎo)空泡的產(chǎn)生，通過調(diào)節(jié)激光能量密度和光束形狀，可產(chǎn)生 具有良好對稱性的球形空泡，通過光學(xué)器件的設(shè)置，可精密調(diào)節(jié)球形空泡的尺寸、大小等特 性參數(shù)。激光誘導(dǎo)球形空泡在研宄空化機(jī)理和空泡特性方面具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：①可控性強(qiáng)，可 通過調(diào)節(jié)激光能量與聚焦點(diǎn)位置可以對空泡產(chǎn)生的時間節(jié)點(diǎn)和位置節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制；②可比 性強(qiáng)，保證了空泡的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果的可比性；③便于空泡群研宄，多束聚焦激光產(chǎn)生 空泡可方便地研宄空泡與空泡間的相互作用；④時間匹配性好，短脈沖激光和超短脈沖激 光可保證空泡時間的瞬時性；⑤無機(jī)械形變等。
[0005] 目前空泡常用的激光調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用擴(kuò)束聚焦系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，但輸出光束大部分 為橢圓和帶狀光束，很難調(diào)整為標(biāo)準(zhǔn)的球形形狀。激光空泡的形狀影響空泡特性研宄的精 確性，直接關(guān)系到空化空蝕機(jī)理及抑制、空泡能量的應(yīng)用。為了解決輸出激光球形空泡的技 術(shù)難題，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，申請者提出一種調(diào)節(jié)激光光束從而控制空泡形狀的方法和裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在不足，本發(fā)明提供了一種制備球形空泡的裝置及其方法，根 據(jù)采集圖像的評判反饋微調(diào)光路設(shè)置，控制激光與液體介質(zhì)作用的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)激光球形空 泡的輸出，具有可控性強(qiáng)、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。
[0007] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的的。
[0008] 一種制備球形空泡的裝置，包括脈沖激光器、可調(diào)擴(kuò)束系統(tǒng)、可調(diào)衰減器、短聚焦 系統(tǒng)、液體、攝影系統(tǒng)、處理器、激光控制系統(tǒng)、可調(diào)衰減器控制系統(tǒng)和可調(diào)擴(kuò)束器控制系 統(tǒng)；
[0009] 所述可調(diào)擴(kuò)束系統(tǒng)用來將述脈沖激光器發(fā)出的激光光斑放大，所述可調(diào)衰減器用 于衰減所述激光截面的能量分布，所述短聚焦系統(tǒng)將衰減的激光聚焦于所述液體中產(chǎn)生空 泡；
[0010] 所述攝影系統(tǒng)用于采集所述空泡圖像，所述處理器用于分析所述空泡圖像，所述 激光控制系統(tǒng)、可調(diào)衰減器控制系統(tǒng)、可調(diào)擴(kuò)束器控制系統(tǒng)根據(jù)所述處理器的分析結(jié)果分 別對所述脈沖激光器、可調(diào)擴(kuò)束系統(tǒng)、可調(diào)衰減器進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0011] 進(jìn)一步，所述裝置還包括線偏振片，所述線偏振片用于將所述光斑被放大的激光 轉(zhuǎn)換為線偏振光。
[0012] 進(jìn)一步，所述裝置還包括1/4玻片，所述1/4玻片用于將所述線偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏 振光。
[0013] 在上述方案中，所述短聚焦系統(tǒng)與所述液體之間設(shè)有光闌，所述光闌用于濾除雜 光。
[0014] 進(jìn)一步，所述脈沖激光器發(fā)出的脈沖激光光束的形狀為高斯分布，脈沖寬度小于 l〇〇ns，激光器的輸出功率密度J遠(yuǎn)大于液體介質(zhì)的激光擊穿閾值功率密度1。
[0015] 進(jìn)一步，所述可調(diào)擴(kuò)束系統(tǒng)的放大倍數(shù)0由光路上器件的最小光孔直徑D決定， 取值范圍IS A S 4，其中d為脈沖激光器的輸出激光光斑直徑； a
[0016]所述可調(diào)衰減器的衰減幅度t的取值范圍為〇%<t< 100% ;
[0017] 所述短聚焦系統(tǒng)的焦距取值在40mm~160mm之間。
[0018] 進(jìn)一步，所述裝置還包括照明系統(tǒng)，所述照明系統(tǒng)用于照射所述空泡。
[0019] 本發(fā)明還包括一種制備球形空泡的方法，包括如下步驟：
[0020] S1、激光光束經(jīng)聚焦后在液體中形成空泡，采集空泡圖像，分析空泡輪廓；
[0021] S2、根據(jù)空泡在水平方向最大長度Lx和垂直方向最大長度Ly，計算：
值， 所述
的值越小，得到的空泡越接近球形；
[0022] S3、通過反復(fù)調(diào)節(jié)激光控制系統(tǒng)、可調(diào)衰減器控制系統(tǒng)、可調(diào)擴(kuò)束器控制系統(tǒng)的設(shè) 定參數(shù)，調(diào)整
的值，獲得球形空泡。
[0023] 進(jìn)一步，所述的液體介質(zhì)為自來水、蒸餾水、煤油、汽油、硅油、酒精、海水、鹽水或 硅膠。
[0024] 在上述方案中，所述分析空泡輪廓包括對所述空泡圖像去噪、圖像分割以及二值 化步驟。
[0025] 有益效果：
[0026] (1)操作簡便，容易實(shí)現(xiàn)；采用圖像采集軟件系統(tǒng)，通過對激光空泡球形度的計算 和判斷，可實(shí)時調(diào)節(jié)裝置參數(shù)，實(shí)現(xiàn)激光球形度的調(diào)節(jié)。
[0027] (2)設(shè)備簡單，成本低；主要采用軟件處理控制，及時反饋出設(shè)備參數(shù)對空泡特性 的影響，在原有的激光誘導(dǎo)空泡裝置上，添加的設(shè)備數(shù)量少且價格低。
[0028] (3)研宄價值大；目前研宄空泡主要以動力學(xué)特性為主，實(shí)驗(yàn)中往往忽略了空泡 不規(guī)則所帶來的實(shí)驗(yàn)誤差，裝置和方法對球形空泡的調(diào)節(jié)，可以很好保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論 結(jié)果的對比性。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發(fā)明所述制備球形空泡的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030] 圖2為本發(fā)明所述制備球形空泡的流程圖。
[0031] 圖3為本發(fā)明所述的空泡輪廓。
[0032] 圖4為本發(fā)明所述的調(diào)節(jié)前的空泡圖像。
[0033] 圖5為本發(fā)明所述的調(diào)節(jié)后的空泡圖像。
[0034]附圖標(biāo)記說明如下：
[0035] 1-脈沖激光器，2-可調(diào)擴(kuò)束系統(tǒng)，3-線偏振片，4-波片，5-可調(diào)衰減器，6-全反 射鏡，7-短聚焦系統(tǒng)，8-液體，9-容器，10-空泡，11-照明系統(tǒng)，12-攝影系統(tǒng)，13-處理器， 14-激光器控制系統(tǒng)，15-可調(diào)衰減器控制系統(tǒng)，16-可調(diào)擴(kuò)束器控制系統(tǒng)，17-光闌。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并 不限于此。
[0037] 本發(fā)明所述的制備球形空泡的裝置：
[0038] 如圖1所不，脈沖激光器1發(fā)射脈沖激光光束，光束形狀為高斯分布，為球形空泡 的產(chǎn)生提供激勵能量，激光光斑為圓形，脈沖寬度小于l〇〇ns，激光器的輸出功率密度J遠(yuǎn) 大于液體介質(zhì)的激光擊穿閾值功率密度Jo;可調(diào)擴(kuò)束系統(tǒng)2接收脈沖激光器發(fā)出的脈沖 激光，將激光的光斑放大，并由可調(diào)擴(kuò)束器控制系統(tǒng)7控制放大的倍數(shù)，可調(diào)擴(kuò)束系統(tǒng)的放 大倍數(shù)0由光路上器件的最小光孔直徑D決定，取值范圍
其中d為脈沖激光 器的輸出激光光斑直徑；放大后的激光經(jīng)過線偏振片3轉(zhuǎn)換為線偏振光，再經(jīng)過1/4波片 轉(zhuǎn)換為圓偏振光，控制球形空泡形狀的均勻性；采用可調(diào)衰減器5微調(diào)作用激光的能量，衰 減幅度由可調(diào)衰減器控制系統(tǒng)14調(diào)節(jié)，可調(diào)衰減器的衰減幅度t的取值范圍為〇%< T < 100% ;衰減的激光脈沖經(jīng)全反射鏡6改變激光光路，由短聚焦系統(tǒng)7會聚進(jìn)入液體8介 質(zhì)中，液體8位于容器9中，液體介質(zhì)包含自來水、蒸餾水、煤油、汽油、硅油、酒精、海水、鹽 水、硅膠等各種液態(tài)物質(zhì)，短聚焦系統(tǒng)的焦距取值在40mm~160mm之間，短焦距控制聚焦后 的焦深短，有利于球形空泡產(chǎn)生；但焦距太短，短聚焦系統(tǒng)距離液面過低，器件表面易被濺 起的液體污染；在短聚焦系統(tǒng)7和液體8之間放置光闌17,光闌17可濾除雜光且防止濺起 的液體8污染短聚焦系統(tǒng)7。
[0039] 空泡10由高斯脈沖激光誘導(dǎo)激發(fā)后，由攝影系統(tǒng)12拍攝空泡的圖像；照明系統(tǒng) 11提供光源，空泡圖像的形狀清晰，且對比度高，便于進(jìn)行圖像處理。處理器13接收到空泡 的圖像，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)，進(jìn)行圖像分析，計算出空泡輪廓。分析空泡的球形度，根據(jù) 球形度的比較，發(fā)出相應(yīng)指令給激光器控制系統(tǒng)14、可調(diào)擴(kuò)束器控制系統(tǒng)16和可調(diào)衰減器 控制系統(tǒng)15,精密調(diào)節(jié)作用于液體介質(zhì)的脈沖激光能量和光束特性，從而產(chǎn)生更接近球形 的空泡。
[0040] 本發(fā)明所述的制備球形空泡的方法：
[0041] 如圖2所示，分為如下步驟：
[0042] S1、安放好設(shè)備，連接電路接口，調(diào)節(jié)光路光軸的高度，確保激光與液體介質(zhì)相互 作用。
[0043] S2、設(shè)置光路初始參數(shù)。
[0044] 根據(jù)液體介質(zhì)的激光擊穿閾值功率密度1，考慮激光傳輸