基于脉冲激光产生极窄加速度激励信号的方法
【专利摘要】本发明的基于脉冲激光产生极窄加速度激励信号的方法和产生极窄加速度激励信号的装置两个技术方案，属冲击测试或试验【技术领域】，其方法是采用高功率脉冲激光照射微小型Hopkinson杆前端，使得微小型Hopkinson杆中瞬间产生冲击波即极窄的加速度激励信号；其装置由高功率脉冲激光器、微小型Hopkinson杆及其它辅助设备仪器组成,采用高功率脉光器照射微小型Hopkinson杆前端，使得微小型Hopkinson杆中瞬间产生冲击波即极窄加速度激励信号；本发明的方法优点有：创新实现通过强脉冲激光照射微小型Hopkinson杆获得极窄加速度激励信号的方法，该方法在高g值加速度计动态校准方面有很高的实用价值；本发明的装置优点有：装置结构简单，试验操作过程简便，可实现高g值加速度计全量程范围的动态校准；这种方法及装置值得采用和推广。
【专利说明】基于脉冲激光产生极窄加速度激励信号的方法
【技术领域】
[0001] 本发明公开的基于脉冲激光产生极窄加速度激励信号的方法，属冲击测试或试验
【技术领域】，具体涉及一种采用脉冲激光产生极窄加速度激励信号的方法及产生极窄加速度 激励信号的装置。
【背景技术】
[0002] 当一束高功率短脉冲（ns量级）激光照射到金属材料表面时，材料表面会迅速吸 收激光能量发生爆炸性汽化，同时电离形成高温度、高压（大于lGPa)、背离材料向外喷射 稠密的离子体，从而诱发一个高压冲击波，并在材料表面或内部施加一个极大的压力。
[0003]随着高功率激光器技术的不断发展，利用其输出的高功率激光作驱动源，可在靶 材中产生一个很强的冲击波，冲击波压力远远超过了通常实验室条件下利用其他手段所获 得的压力。激光驱动冲击波有激光直接驱动和激光间接驱动两种方式。间接驱动冲击波过 程中，高功率激光器的入射激光能量被金属材料表面吸收，产生向真空高速喷射的等离子 体，在材料表面内的材料中会形成一个反向的物质流并对材料进行冲击压缩，形成向内传 播的冲击波。
[0004]Hopkinson杆实验技术是建立在一维弹性应力波理论基础之上的，Hopkinson杆 受到冲击后在杆内将发生一维弹性应力波的传播。自由式Hopkinson杆技术已成为产生高 g值加速度的有效方法。
[0005]Hopkinson杆中任意应力波总可用频谱分析方法分解为不同频率的谐波分量，由 于杆中质点的横向惯性作用，不同频率的谐波分量将各按自己的速度传播，因此波形不能 再保持原形而必定在传播过程中弥散开来，即发生所谓波的几何弥散现象。由于几何弥散， 应力脉冲的波阵面前沿实际上随传播距离的增加而逐渐由陡变缓，即应力脉冲前沿的升时 ts随传播距离而逐渐增大，并且杆径越大，其升时变化越显著。Hopkinson杆中所能形成加 速度激励信号最小脉宽的经验公式为：
【权利要求】
1. 一种基于脉冲激光产生极窄加速度激励信号的方法，特征在于：所述的产生极窄加 速度激励信号的方法是：采用高功率脉冲激光照射微小型Hopkinson杆前端，使得微小型 Hopkinson杆中瞬间产生冲击波即极窄的加速度激励信号。
2. 根据权利要求1所述的基于脉冲激光产生极窄加速度激励信号的方法，特征在于： 所述的高功率脉冲激光是由YAG高功率脉冲激光器发出的激光，该激光光斑直径大小为 4mm?6mm、脉宽为Ins?60ns、能量为70MJ?1200MJ。
3. 根据权利要求1所述的基于脉冲激光产生极窄加速度激励信号的方法，特征在于： 所述的微小型Hopkinson杆的结构是：波形调整垫片通过普通粘合剂贴在杆的前端，波形 调整垫片的激光照射面上同样通过普通粘合剂贴上铝箔吸收层，再将光学玻璃片用透明粘 合剂贴在铝箔吸收层上，微小型Hopkinson杆的后端通过真空紧密吸合设置在安装座前 端，高g值加速度计通过螺纹结构安装在安装座的后端，在该加速度计输出端输出极窄加 速度激励信号，所说的安装座为一个与微小型Hopkinson杆具有相同直径的圆柱体，后端 沿轴向有用于安装高g值加速度计的内环状螺纹。
4. 根据权利要求3所述的基于脉冲激光产生极窄加速度激励信号的方法，特征在于： 所述的微小型Hopkinson杆详细结构有：微小型Hopkinson杆直径选择为5mm、或8mm、或 10mm,长度选择为20mm?300mm。
5. 根据权利要求1所述的基于脉冲激光产生极窄加速度激励信号的方法，特征在于： a. 所述产生的极窄加速度激励信号，其脉宽小于6?s ; b. 调整轴向激光干涉仪使测量的极窄加速度激励信号正常； c. 计算机记录和处理通过波形记录仪记录的高g值加速度计的信号，以及轴向激光干 涉仪测量的、通过波形记录仪记录的从微小型Hopkinson杆后端输出的极窄加速度激励信 号。
6. -种产生极窄加速度激励信号的装置，特征在于：所述的产生极窄加速度激励信 号的装置包括有高功率脉冲激光器、微小型Hopkinson杆，采用高功率脉光激光器激光照 射微小型Hopkinson杆前端，使得微小型Hopkinso n杆中瞬间产生冲击波即极窄加速度激 励信号。
7. 根据权利要求6所述的产生极窄加速度激励信号的装置，特征在于：所述的产生 极窄加速度激励信号的装置具体装配、调试步骤为： a. 调节YAG高功率脉冲激光器输出激光的光斑直径和强度大小，使得参数满足本装置 要求标准； b. 选择采用铝箔作为能量吸收层和玻璃做约束层依次通过普通粘合剂和透明粘合剂 贴在保护微小型Hopkinson杆的波形调整垫片的激光照射面上； c. 安装座的前端面通过真空夹具紧密吸合在微小型Hopkinson杆末端，高g值加速 度计通过螺纹结构安装在安装座的后端，在该加速度计输出端输出极窄加速度激励信号， 所说的安装座为一个与微小型Hopkinson杆具有相同直径的圆柱体，后端沿轴向有用于安 装高g值加速度计的内环状螺纹； d. 激光照射到微小型Hopkinson杆的冲击区域，被吸收层吸收产生等离子，等离子受 到覆盖在吸收层上面的约束层的约束，产生高强度冲击波冲击微小型Hopkinson杆前端， 使得微小型Hopkinson杆内部得到一个应力脉冲。
8. 根据权利要求7所述的产生极窄加速度激励信号的装置，特征在于：所述的高功率 脉冲激光是由YAG高功率脉冲激光器发出的激光，该激光光斑直径大小为4mm?6mm、脉 宽为Ins?60ns、能量为70MJ?1200MJ。
9. 根据权利要求7所述的产生极窄加速度激励信号的装置，特征在于：所述的微小型 Hopkinson杆详细结构有：微小型Hopkinson杆直径选择为5mm、或8mm、或10mm，长度选择 为 20mm ?300mm。
10. 根据权利要求7所述的产生极窄加速度激励信号的装置，特征在于： a. 所述产生的极窄加速度激励信号，其脉宽小于6?s ; b. 该装置还可包括轴向激光干涉仪，调整轴向激光干涉仪使测量的极窄加速度激励信 号正常； c. 该装置还可包括计算机和波形记录仪，计算机记录和处理通过波形记录仪记录的 高g值加速度计的信号，以及轴向激光干涉仪测量的、通过波形记录仪记录的从微小型 Hopkinson杆后端输出的极窄加速度激励信号。
【文档编号】G01N3/313GK104330316SQ201410586532
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年10月28日 优先权日:2014年10月28日
【发明者】马铁华, 徐鹏, 王燕, 范锦彪, 张红艳, 祖静 申请人:中北大学