一种制备球形空泡的装置及其方法

文档序号:8930793阅读:576来源:国知局
一种制备球形空泡的装置及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于激光技术领域,尤其是一种制备球形空泡的装置及其方法。
【背景技术】
[0002] 空化空蚀现象是存在于液体介质的一种特有现象。它可以是有害的,也可以转化 为加工工具为人类的生产和生活服务。空化是液体内部气体空泡形成、发展、脉动和溃灭的 过程,空蚀是空泡脉动形成的微激波与微射流,攻击材料表面形成损伤的过程。高速水流极 易产生空蚀,百米级的高坝产生的空蚀破坏会严重影响系统的正常运行,甚至造成重大的 灾难性事故。在水利机械、水下潜艇等水下设施在运行过程也不可避免受到空蚀问题的困 扰,空蚀问题一直是关系国计民生以及国家安全的水力机械设计和制造、科学研宄和水电 站运行等领域非常重视的问题。同时空化瞬间可聚集高能量,通过有效控制,可广泛应用于 众多工业领域,如清洗、制浆、材料切割、岩石破碎、油井解堵、材料的超细粉碎、改善材料的 表面性能、有机污染物降解、促进化学反应等。
[0003] 研宄空化现象、抑制空蚀问题、转换空化能量,关键在于系统认识空泡的特性及影 响。由于空泡产生时在液体内会有瞬时的高温(数万开尔文)和高压(数百兆帕甚至高达 吉帕)现象,可形成强烈的冲击波和高速度的微射流,涉及流体力学、光学、物理、化学等多 学科内容,因此到目前为止对空化空蚀机理还没有一个令人信服的解释。
[0004] 空泡的类型有动力泡、火花泡、声空泡和激光空泡等。前三种空泡缺乏球对称性, 不易控制,且空泡对外部的环境敏感,很难彻底揭示空泡的产生机理和影响因素。激光空泡 是采用能量高度集中的激光诱导空泡的产生,通过调节激光能量密度和光束形状,可产生 具有良好对称性的球形空泡,通过光学器件的设置,可精密调节球形空泡的尺寸、大小等特 性参数。激光诱导球形空泡在研宄空化机理和空泡特性方面具有独特优点:①可控性强,可 通过调节激光能量与聚焦点位置可以对空泡产生的时间节点和位置节点进行控制;②可比 性强,保证了空泡的实验结果与理论结果的可比性;③便于空泡群研宄,多束聚焦激光产生 空泡可方便地研宄空泡与空泡间的相互作用;④时间匹配性好,短脉冲激光和超短脉冲激 光可保证空泡时间的瞬时性;⑤无机械形变等。
[0005] 目前空泡常用的激光调节系统采用扩束聚焦系统,结构简单,但输出光束大部分 为椭圆和带状光束,很难调整为标准的球形形状。激光空泡的形状影响空泡特性研宄的精 确性,直接关系到空化空蚀机理及抑制、空泡能量的应用。为了解决输出激光球形空泡的技 术难题,根据实验数据,申请者提出一种调节激光光束从而控制空泡形状的方法和装置。

【发明内容】

[0006] 针对现有技术中存在不足,本发明提供了一种制备球形空泡的装置及其方法,根 据采集图像的评判反馈微调光路设置,控制激光与液体介质作用的参数,实现激光球形空 泡的输出,具有可控性强、操作简单等优点。
[0007] 本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0008] 一种制备球形空泡的装置,包括脉冲激光器、可调扩束系统、可调衰减器、短聚焦 系统、液体、摄影系统、处理器、激光控制系统、可调衰减器控制系统和可调扩束器控制系 统;
[0009] 所述可调扩束系统用来将述脉冲激光器发出的激光光斑放大,所述可调衰减器用 于衰减所述激光截面的能量分布,所述短聚焦系统将衰减的激光聚焦于所述液体中产生空 泡;
[0010] 所述摄影系统用于采集所述空泡图像,所述处理器用于分析所述空泡图像,所述 激光控制系统、可调衰减器控制系统、可调扩束器控制系统根据所述处理器的分析结果分 别对所述脉冲激光器、可调扩束系统、可调衰减器进行调节。
[0011] 进一步,所述装置还包括线偏振片,所述线偏振片用于将所述光斑被放大的激光 转换为线偏振光。
[0012] 进一步,所述装置还包括1/4玻片,所述1/4玻片用于将所述线偏振光转换为圆偏 振光。
[0013] 在上述方案中,所述短聚焦系统与所述液体之间设有光阑,所述光阑用于滤除杂 光。
[0014] 进一步,所述脉冲激光器发出的脉冲激光光束的形状为高斯分布,脉冲宽度小于 l〇〇ns,激光器的输出功率密度J远大于液体介质的激光击穿阈值功率密度1。
[0015] 进一步,所述可调扩束系统的放大倍数0由光路上器件的最小光孔直径D决定, 取值范围IS A S 4,其中d为脉冲激光器的输出激光光斑直径; a
[0016]所述可调衰减器的衰减幅度t的取值范围为〇%<t< 100% ;
[0017] 所述短聚焦系统的焦距取值在40mm~160mm之间。
[0018] 进一步,所述装置还包括照明系统,所述照明系统用于照射所述空泡。
[0019] 本发明还包括一种制备球形空泡的方法,包括如下步骤:
[0020] S1、激光光束经聚焦后在液体中形成空泡,采集空泡图像,分析空泡轮廓;
[0021] S2、根据空泡在水平方向最大长度Lx和垂直方向最大长度Ly,计算:
值, 所述
的值越小,得到的空泡越接近球形;
[0022] S3、通过反复调节激光控制系统、可调衰减器控制系统、可调扩束器控制系统的设 定参数,调整
的值,获得球形空泡。
[0023] 进一步,所述的液体介质为自来水、蒸馏水、煤油、汽油、硅油、酒精、海水、盐水或 硅胶。
[0024] 在上述方案中,所述分析空泡轮廓包括对所述空泡图像去噪、图像分割以及二值 化步骤。
[0025] 有益效果:
[0026] (1)操作简便,容易实现;采用图像采集软件系统,通过对激光空泡球形度的计算 和判断,可实时调节装置参数,实现激光球形度的调节。
[0027] (2)设备简单,成本低;主要采用软件处理控制,及时反馈出设备参数对空泡特性 的影响,在原有的激光诱导空泡装置上,添加的设备数量少且价格低。
[0028] (3)研宄价值大;目前研宄空泡主要以动力学特性为主,实验中往往忽略了空泡 不规则所带来的实验误差,装置和方法对球形空泡的调节,可以很好保证实验结果和理论 结果的对比性。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明所述制备球形空泡的装置的结构示意图。
[0030] 图2为本发明所述制备球形空泡的流程图。
[0031] 图3为本发明所述的空泡轮廓。
[0032] 图4为本发明所述的调节前的空泡图像。
[0033] 图5为本发明所述的调节后的空泡图像。
[0034]附图标记说明如下:
[0035] 1-脉冲激光器,2-可调扩束系统,3-线偏振片,4-波片,5-可调衰减器,6-全反 射镜,7-短聚焦系统,8-液体,9-容器,10-空泡,11-照明系统,12-摄影系统,13-处理器, 14-激光器控制系统,15-可调衰减器控制系统,16-可调扩束器控制系统,17-光阑。
【具体实施方式】
[0036] 下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明,但本发明的保护范围并 不限于此。
[0037] 本发明所述的制备球形空泡的装置:
[0038] 如图1所不,脉冲激光器1发射脉冲激光光束,光束形状为高斯分布,为球形空泡 的产生提供激励能量,激光光斑为圆形,脉冲宽度小于l〇〇ns,激光器的输出功率密度J远 大于液体介质的激光击穿阈值功率密度Jo;可调扩束系统2接收脉冲激光器发出的脉冲 激光,将激光的光斑放大,并由可调扩束器控制系统7控制放大的倍数,可调扩束系统的放 大倍数0由光路上器件的最小光孔直径D决定,取值范围
其中d为脉冲激光 器的输出激光光斑直径;放大后的激光经过线偏振片3转换为线偏振光,再经过1/4波片 转换为圆偏振光,控制球形空泡形状的均匀性;采用可调衰减器5微调作用激光的能量,衰 减幅度由可调衰减器控制系统14调节,可调衰减器的衰减幅度t的取值范围为〇%< T < 100% ;衰减的激光脉冲经全反射镜6改变激光光路,由短聚焦系统7会聚进入液体8介 质中,液体8位于容器9中,液体介质包含自来水、蒸馏水、煤油、汽油、硅油、酒精、海水、盐 水、硅胶等各种液态物质,短聚焦系统的焦距取值在40mm~160mm之间,短焦距控制聚焦后 的焦深短,有利于球形空泡产生;但焦距太短,短聚焦系统距离液面过低,器件表面易被溅 起的液体污染;在短聚焦系统7和液体8之间放置光阑17,光阑17可滤除杂光且防止溅起 的液体8污染短聚焦系统7。
[0039] 空泡10由高斯脉冲激光诱导激发后,由摄影系统12拍摄空泡的图像;照明系统 11提供光源,空泡图像的形状清晰,且对比度高,便于进行图像处理。处理器13接收到空泡 的图像,采用数字图像处理技术,进行图像分析,计算出空泡轮廓。分析空泡的球形度,根据 球形度的比较,发出相应指令给激光器控制系统14、可调扩束器控制系统16和可调衰减器 控制系统15,精密调节作用于液体介质的脉冲激光能量和光束特性,从而产生更接近球形 的空泡。
[0040] 本发明所述的制备球形空泡的方法:
[0041] 如图2所示,分为如下步骤:
[0042] S1、安放好设备,连接电路接口,调节光路光轴的高度,确保激光与液体介质相互 作用。
[0043] S2、设置光路初始参数。
[0044] 根据液体介质的激光击穿阈值功率密度1,考虑激光传输
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