環(huán)形定子的激光致表面波機理及可視化探測研究*

李方浩 章海軍 張冬仙

(浙江大學(xué),現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重點實驗室,杭州 310027)

1 引言

近年來,隨著微納米技術(shù)及微型光機電系統(tǒng)(MOEMS)的快速發(fā)展,對驅(qū)動技術(shù)也提出了新的要求.現(xiàn)有的驅(qū)動技術(shù)主要有電磁驅(qū)動、靜電驅(qū)動[1]、壓電驅(qū)動[2]、電熱驅(qū)動[3]、光熱驅(qū)動[4-7]等,其中電磁、靜電、壓電和電熱等驅(qū)動方法需要采用導(dǎo)線將控制電流或控制電壓引入到驅(qū)動機構(gòu)中,因而無法真正實現(xiàn)非接觸式的驅(qū)動控制;光熱驅(qū)動采用將激光能量轉(zhuǎn)換成熱能的方法,實現(xiàn)對驅(qū)動機構(gòu)的非接觸控制,但是,受限于其所使用的光熱轉(zhuǎn)換機制,光和熱的轉(zhuǎn)換過程相對緩慢,這類光熱驅(qū)動機構(gòu)一般只能實現(xiàn)低速或低頻驅(qū)動.因此,我們致力于研究發(fā)展一種基于激光致表面波的非接觸式驅(qū)動方法,提出采用納秒級超短脈沖激光激發(fā)出表面波,以此作為驅(qū)動源,實現(xiàn)對驅(qū)動機構(gòu)(如馬達)的驅(qū)動控制.

就激光激發(fā)聲波這一物理特性而言,目前研究和應(yīng)用較多的主要有光聲光譜分析和激光超聲探測等.光聲光譜多用于對材料的成分、形貌及其他物理特性的分析,如多晶體材料彈性模量的研究[8]、薄膜機械和結(jié)構(gòu)特性分析[9,10]、光聲顯微成像[11]等.激光超聲探測利用光致超聲波在待測物件內(nèi)部傳播時遇到疵點等損傷使其傳播特性發(fā)生變化的原理,實現(xiàn)內(nèi)部損傷的探測[12-14].本文所提出的基于激光致表面波的新型驅(qū)動方法,利用的是激光在物體表面(如定子)激發(fā)出表面波的橢圓形傳播軌跡,實現(xiàn)對貼合在該物體表面的目標(biāo)(如動子)的驅(qū)動.為此,本文開展了激光在環(huán)形定子表面激發(fā)表面波的物理模型及可視化實驗研究,為發(fā)展光致表面波馬達及驅(qū)動機構(gòu)提供理論和實驗基礎(chǔ).

2 原理與方法

2.1 環(huán)形定子的激光致表面波物理模型

當(dāng)用脈沖激光照射固體材料表面時,材料將吸收光能形成局部熱源并發(fā)生局部熱膨脹;激光作用結(jié)束后,熱源消失,該熱膨脹區(qū)域發(fā)生收縮.這種周期性的膨脹和收縮運動將形成聲場并向周邊區(qū)域輻射聲波,其中沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ膹椥圆ǚQ為表面波,它是表面縱波和沿垂直表面方向振動的橫波疊加干涉的結(jié)果.

本文設(shè)計了一種帶有凹槽陣列結(jié)構(gòu)的環(huán)形定子,如圖1所示,用脈沖激光照射該環(huán)形定子以激發(fā)表面波.圖中,O為激光照射點,其位置取在圓環(huán)環(huán)帶的中點處,以此為坐標(biāo)原點建立直角坐標(biāo)系,圓環(huán)內(nèi)徑為r1,外徑為r2,C為凹槽陣列區(qū)域.

圖1 帶有凹槽陣列的環(huán)形定子示意圖

脈沖激光照射O點時,在t時刻環(huán)形定子表面形成的熱源方程為

其中Q0是激光的單脈沖能量,R是反射率,a為光斑半徑,t0為激光脈沖寬度,和k分別代表復(fù)折射率和波矢.

該熱源在環(huán)形定子中發(fā)生熱傳導(dǎo),形成溫度場T(x,y,z,t),熱傳導(dǎo)方程為ρ,c,k分別為材料密度、比熱容、熱傳導(dǎo)率,聲場中表面波形變量Us(x,y,z,t)與溫度T(x,y,z,t)服從熱彈性方程[14]:

λ和μ為蘭姆常數(shù),α是熱擴散系數(shù).表面波在圓環(huán)內(nèi)徑和外徑邊界處以及凹槽邊界處振幅為零,邊界條件有:

(4)式中Σ為齒狀凹槽所形成的外表面.方程組(1),(2),(3)和邊界條件(4)構(gòu)成了激光在環(huán)形定子表面激發(fā)出的表面波的物理模型.該方程組通過有限元迭代方法進行仿真計算,得出激光在環(huán)形定子激發(fā)的表面波振幅近似正比于激光單脈沖能量Q0,熱傳導(dǎo)率k,反比于光照面積πa2,激光脈寬t0,比熱c;振幅在z向隨厚度的增加按指數(shù)衰減.因此,表面波傳播到凹槽區(qū)域時將被凹槽陣列多次衰減和阻擋,表面波振幅值逐漸趨近于零,即表面波將不能穿過凹槽陣列區(qū).

2.2 激光致表面波的動態(tài)可視化探測方法

圖2 激光致表面波在環(huán)形定子上傳播的可視化探測原理

如圖2(a)所示,激光激發(fā)出的表面波從照射點向外沿環(huán)形定子表面?zhèn)鞑?由壓電傳感器在某一測量點探測并輸入到計算機中.對于每一給定的測量點(如A點),表面波傳播至該點的振動狀態(tài)隨時間的變化可以被準(zhǔn)確地觀測到;不斷改變測量點的位置(如B和C點等),則可探測出表面波傳播至環(huán)形定子表面所有的點的振動狀態(tài),而將所有這些點的波形信息整合起來,就可以對表面波的整體傳播樣貌進行分析.但是,不斷移動傳感器在圓環(huán)上的位置進行逐點探測,在實際操作中很難實現(xiàn),而移動激光照射點則相對容易得多.因此,利用表面波在激光照射點和傳感器探測點之間傳播的可逆關(guān)系,可按圖2(b)所示進行等效處理,將壓電傳感器置于原激光照射點處,而激光照射點在整個圓環(huán)面上逐點掃描,在每一點 (如 A′,B′,C′點等)激發(fā)出的表面波均由位置固定的傳感器探測,并將探測到的波形信息收集,按時序重構(gòu)各點的振動狀態(tài),即可等效地還原出由照射在傳感器位置處的激光單脈沖激發(fā)的表面波在圓環(huán)面上的傳播圖樣,從而實現(xiàn)激光致表面波的可視化探測.

3 實驗與結(jié)果

實驗中環(huán)形定子的材料選用熱傳導(dǎo)率相對較大、比熱容相對較小的黃銅;圓環(huán)整體尺寸為外徑40 mm,內(nèi)徑30 mm,厚度2 mm;在其環(huán)面上切割出6個相鄰間距為0.5 mm,寬0.5 mm,深1.5 mm的凹槽,如圖3所示.

圖3 環(huán)形定子與壓電傳感器的布局圖,白色矩形框內(nèi)為激光掃描區(qū)域

采用波長1053 nm的脈沖激光器激發(fā)表面波,脈沖寬度為30 ns,單脈沖能量1 mJ,光斑直徑約100μm.脈沖激光的重復(fù)頻率為3 kHz,以保證有足夠時間間隔探測每一發(fā)激光脈沖激發(fā)出的表面波的完整振動狀態(tài).圖3中白色矩形框顯示的是激光掃描區(qū)域,激光以光柵掃描方式掃描,掃描點間隔0.2 mm,掃描點數(shù)220×250.銅環(huán)放置在消聲材料基座上,當(dāng)激光掃描點落在銅環(huán)表面時,傳感器可探測到表面波信號;而當(dāng)激光點掃描到銅環(huán)以外的區(qū)域時,不產(chǎn)生表面波信號.由于激光掃描區(qū)域涵蓋整個銅環(huán)結(jié)構(gòu),可保證整個銅環(huán)都能被掃描到,從而根據(jù)圖2(b)所示的等效處理原理,實現(xiàn)激光致表面波在整個銅環(huán)表面上的動態(tài)傳播過程的可視化.

壓電傳感器選用中心頻率2 MHz的表面波斜探頭,傳感器左角與凹槽陣列的最近距離約為4 mm.

實驗得到的光致表面波在環(huán)形定子上的可視化動態(tài)傳播過程視頻截圖如圖4所示.根據(jù)等效原理,當(dāng)脈沖激光照射在傳感器所處的位置時(以此時刻作為初始時間),表面波分別沿順時針方向和逆時針方向在環(huán)形定子表面?zhèn)鞑?圖4(a)—(d)表明,沿順時針方向的表面波傳播到凹槽區(qū)域時消失,說明凹槽陣列對表面波有很好的阻擋和衰減作用,與理論分析一致;而沿逆時針方向的表面波可持續(xù)傳播;在29.6μs時,波前傳播到凹槽區(qū)域的另外一側(cè),完成近乎整周的單向傳播,如圖4(e)所示;在39μs之后,銅環(huán)面上的表面波因阻尼振蕩而整體衰減,如圖4(f).為實現(xiàn)表面波的持續(xù)單向傳播,可選用適當(dāng)頻率的脈沖激光持續(xù)照射環(huán)形定子.

作為對比,選用相同尺寸但無凹槽結(jié)構(gòu)的銅環(huán)進行了激光致表面波的可視化實驗,實驗結(jié)果如圖5所示.根據(jù)等效原理,當(dāng)脈沖激光照射在傳感器所處的位置時,有兩列光致表面波分別沿順時針和逆時針方向傳播;圖5(a)—(d)表明,這兩列表面波各自持續(xù)地向前傳播,這與圖4實驗結(jié)果明顯不同;在22.8μs時兩列波開始匯合,見圖5(d);之后出現(xiàn)相互混疊與串?dāng)_,如圖5(e)和(f)所示,因此在該銅環(huán)上無法獲得單向傳播的激光致表面波.這一實驗從另一側(cè)面證明,凹槽陣列結(jié)構(gòu)在獲取單向傳播的激光致表面波中的關(guān)鍵作用.

需要說明的是,圖中沿順時針方向的表面波在幅值上要弱于逆時針方向的表面波,這是由于作為傳感器的斜探頭在不同方向上探測能力不同而造成的.

圖4 激光致表面波在帶有凹槽陣列結(jié)構(gòu)的環(huán)形定子上單向傳播的可視化視頻截圖

圖5 激光致表面波在無凹槽結(jié)構(gòu)的銅環(huán)上雙向傳播的可視化視頻截圖

4 結(jié)論

本文圍繞激光致表面波的機理及傳播特性開展了理論和實驗研究,優(yōu)化設(shè)計了帶有凹槽陣列結(jié)構(gòu)的環(huán)形定子,建立了激光在環(huán)形定子表面激發(fā)表面波的物理模型,給出了求解表面波幅值的方程組,并對影響表面波幅值的關(guān)鍵因素進行了分析.闡述了激光致表面波的動態(tài)可視化探測方法,利用表面波在激光照射點和傳感器探測點之間傳播的可逆關(guān)系,等效地還原出激光致表面波的傳播圖樣,從而首次實現(xiàn)了激光致表面波在環(huán)形定子上傳播的可視化探測.

采用這一可視化探測方法,在波長1053 nm,脈寬30 ns,單脈沖能量1 mJ的脈沖激光照射下,對表面波在銅材質(zhì)的環(huán)形定子表面的傳播特性進行了實驗研究.理論與實驗研究表明:當(dāng)激發(fā)光斑的位置緊鄰凹槽陣列時,沿著銅環(huán)向凹槽方向傳播的表面波會被凹槽陣列迅速衰減和吸收,而沿著銅環(huán)向遠離凹槽方向傳播的表面波能夠持續(xù)向前傳遞,據(jù)此實現(xiàn)了激光致表面波的單向傳播;而對沒有凹槽陣列結(jié)構(gòu)的銅環(huán)進行的對比實驗表明,激光致表面波在銅環(huán)表面雙向傳播,最終因相互混疊和串?dāng)_等而處于混亂狀態(tài).激光在該種環(huán)形定子表面激發(fā)出的單向表面波,將用于今后光致表面波馬達及驅(qū)動機構(gòu)的研究當(dāng)中.

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