摘要采用兩套光偏轉(zhuǎn)測(cè)試裝置對(duì)不同表面張力液體中激光空泡脈動(dòng)及潰滅特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，獲得了液體表面張力改變對(duì)固壁近旁空泡生長(zhǎng)和潰滅過程的影響。結(jié)果表明，表面張力延緩了空泡的膨脹過程，加速了空泡的潰滅；表面張力對(duì)空泡潰滅的影響要強(qiáng)于對(duì)膨脹的影響；液體張力越大，空泡脈動(dòng)周期越短，且空泡對(duì)應(yīng)的最大泡半徑越小而收縮所能達(dá)到的最小泡半徑亦越小。此外，液體張力越大，射流所產(chǎn)生的瞬時(shí)沖擊力越大，即表面張力加強(qiáng)了液體射流對(duì)固壁的空蝕作用。研究結(jié)果可為水下激光加工、激光醫(yī)療、空化空蝕相關(guān)流體力學(xué)的研究提供一定的理論和實(shí)驗(yàn)支持。

1引言

空泡研究是目前流體力學(xué)最活躍的領(lǐng)域之一。當(dāng)一束高功率激光聚焦于水下靶材表面時(shí)，在聚焦區(qū)形成高溫高壓等離子體、沖擊波和空泡現(xiàn)象。空泡在內(nèi)外壓差的作用下進(jìn)行多次脈動(dòng)，最終潰滅。固壁附近空泡的潰滅和反彈不僅會(huì)造成水泵葉片表面、船艦和潛艇螺旋槳表面以及控制管道和腔室中液體流動(dòng)的閥門（包括人工心臟的閥門）表面的空蝕損壞，降低水力機(jī)械的性能，而且所產(chǎn)生的空化噪聲還會(huì)對(duì)軍艦和潛艇的安全造成危害。醫(yī)學(xué)中激光在人體組織中所產(chǎn)生的空泡潰滅時(shí)會(huì)對(duì)人體組織產(chǎn)生嚴(yán)重的裂損等不良影響，但結(jié)合有毒藥物的使用也會(huì)起殺傷癌細(xì)胞等的治療作用。此外，空泡潰滅時(shí)將形成局部的高壓高溫（可達(dá)1億度），這可為核武器的研制和可控?zé)岷朔磻?yīng)的研究提供一種新途徑。隨著科技的發(fā)展，不斷有伴隨空泡所發(fā)生的新的物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，而弄清這些復(fù)雜物理現(xiàn)象的機(jī)制對(duì)流體力學(xué)科學(xué)的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用都具有重要的意義。

空泡現(xiàn)象是高速運(yùn)動(dòng)的液體所特有的物理現(xiàn)象，它的初生與發(fā)展取決于許多復(fù)雜的因素，如液體的物性（包括蒸氣壓強(qiáng)、液體的表面張力大小、液體的密度、液體的壓縮性等）、液體的流速、液體的溫度等。張力是影響空泡膨脹（收縮）最后階段的重要因素，它將直接決定空泡的泡半徑、收縮周期和收縮的劇烈程度。目前，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)液體張力對(duì)空泡的影響進(jìn)行了大量研究，但是研究主要集中在液體張力改變對(duì)射流和空蝕的影響。

在對(duì)空泡及空蝕效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)方面，文獻(xiàn)報(bào)道的非擾動(dòng)診斷方法主要有高速攝影法、條紋攝像法、干涉法及光束偏轉(zhuǎn)法等。其中高速攝影法、干涉法和紋影法使空泡潰滅研究取得了很大進(jìn)展，但存在造價(jià)昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等困難。本文采用兩套基于光偏轉(zhuǎn)原理的光纖傳感器，利用光纖作為位置敏感探測(cè)器來提高光束偏折探測(cè)系統(tǒng)的靈敏度，對(duì)空泡的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程和潰滅對(duì)固壁面造成的空蝕作用進(jìn)行全面的研究。

2實(shí)驗(yàn)方法

2.1實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置的主體部分如圖1所示，脈沖Nd∶YAG激光1（波長(zhǎng)1.06μm,脈寬10ns,最大激光能量500mJ）經(jīng)過分光鏡2,衰減片3和擴(kuò)束裝置4,由會(huì)聚透鏡5（焦距150mm）聚焦于銅靶7上。水槽8里裝有具有不同表面張力的液體。能量計(jì)6用來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)入射激光的能量。實(shí)驗(yàn)中靶面焦斑半徑為50μm.

圖1光偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)的主體裝置

探測(cè)裝置由兩套基于光偏轉(zhuǎn)原理的光纖傳感器組成。該傳感器由HeNe激光器9,聚焦透鏡10,顯微物鏡11,干涉濾波片12,光纖調(diào)節(jié)器13,單模光纖14,光電倍增管15以及數(shù)字存儲(chǔ)示波器16等構(gòu)成，分別如圖2（a）和（b）所示。圖2（a）為探測(cè)空泡脈動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)裝置，其中探測(cè)組件9——14被固定在二維可移動(dòng)平臺(tái)18上，如圖虛框所示，該平臺(tái)沿靶面法線方向（圖示箭頭方向）移動(dòng)精度為10μm.當(dāng)一束高功率激光聚焦到水下靶材表面時(shí)，會(huì)在作用區(qū)產(chǎn)生等離子體、空泡和沖擊波等一系列現(xiàn)象。

圖2探測(cè)裝置。（a）探測(cè)空泡脈動(dòng)規(guī)律；（b）探測(cè)空泡潰滅對(duì)固壁面的空蝕作用

當(dāng)探測(cè)光束通過靶面焦點(diǎn)正前方與空泡或沖擊波相互作用時(shí)將產(chǎn)生微小的改變，原光束傳播方向也將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此耦合進(jìn)光纖傳感器的光強(qiáng)將減小。由于光通量的變化體現(xiàn)為光電流或電壓的變化，因此空泡泡半徑的演變可以從數(shù)字存儲(chǔ)示波器上的電壓變化反映；圖2（b）為探測(cè)空泡潰滅對(duì)固壁面空蝕作用的實(shí)驗(yàn)裝置。在脈沖激光作用下，靶材作用點(diǎn)的背面將產(chǎn)生微小的錐形突起，因此光束反射時(shí)相對(duì)原有反射光路要偏轉(zhuǎn)一定的角度。當(dāng)探測(cè)光束照在因激光作用而形成凸起的錐形上，且光斑中心與錐心重合時(shí)，反射光束變?yōu)橐画h(huán)形光斑，耦合進(jìn)光纖的光通量會(huì)變小。因光通量的變化體現(xiàn)為光電流或電壓的變化，因此靶材所受力的變化可以從數(shù)字存儲(chǔ)示波器上的電壓變化來反映。該光纖傳感器的相關(guān)測(cè)試原理分別見參考文獻(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)觸發(fā)信號(hào)由光電二極管17（上升時(shí)間100ps）獲取激光反射光來實(shí)現(xiàn)。