激光誘導擊穿等離子體聲波特性的研究

王浩楠，徐送寧，李 倩，韓艷麗，寧日波

(沈陽理工大學 理學院，沈陽 110159)

激光誘導擊穿聲波是激光誘導等離子體快速膨脹時產(chǎn)生的弱擾動(機械振動)在介質(zhì)內(nèi)部的傳播，是激光與物質(zhì)相互作用結(jié)果中的聲學現(xiàn)象。理論上影響激光誘導擊穿聲波的主要因素有兩個：一是激光的特性參數(shù)，如激光的波長、強度(激光的功率、能量、脈寬、方向、作用面積、作用體積等)，在能夠擊穿樣品的條件下只改變激光能量時(脈寬等不變)，激光誘導擊穿聲波的能量與激光能量有關(guān)，在均勻介質(zhì)中，激光的傳播方向影響其擊穿聲波強度的空間分布特性；二是物質(zhì)的特性參數(shù)，如介質(zhì)的溫度、密度、比熱容、彈性模量、壓強、壓縮系數(shù)等，在作用激光能量相同時，不同材料表面產(chǎn)生的激光等離子體聲波的峰值聲壓不相同，材料Al、Sn、Cu和Fe對應(yīng)的峰值聲壓逐漸減小[1]。研究表明，以上兩個影響因素中的某些參數(shù)變化時，對聲波的某些特性影響不顯著，如激光波長(532nm、1064nm)、激光能量和作用物質(zhì)(如Cu、Al、Fe)的變化對其激光誘導擊穿聲波頻譜沒有顯著影響[2]，激光等離子體聲波的頻譜分布、峰值頻率與激光能量、激光在水下的衰減特性與水下環(huán)境無關(guān)[3]等。

激光誘導等離子體同時產(chǎn)生發(fā)光和發(fā)聲現(xiàn)象，發(fā)光及其應(yīng)用研究較多，有關(guān)等離子體發(fā)聲的研究文獻相對較少，其理論研究主要是從激光與物質(zhì)相互作用的機理和過程出發(fā)建立激光等離子體膨脹的物理模型[4-8]，應(yīng)用研究大多集中在材料表面沖擊強化、聲波用于激光等離子體信息診斷和檢測方面[9-13]，在激光聲波“雷達”、激光沖擊波推進等方面也有少量研究[14-15]。有關(guān)激光等離子體沖擊波之后的普通聲波及其應(yīng)用研究文獻則很少。激光誘導擊穿聲波的空間和時間分辨率較高，探究激光誘導擊穿等離子體聲波的特性，有利于合理選擇激光致聲條件和正確設(shè)計聲接收系統(tǒng)參量[16]，對于廣泛深入研究激光誘導擊穿技術(shù)及其應(yīng)用具有重要意義。本文采用激光誘導擊穿聲波測量系統(tǒng)，實驗研究激光誘導擊穿空氣聲波的時域和空氣聲波強度的空間分布等特性。

1 實驗部分

采用Nd：YAG光泵浦固體激光器(Beamtech，Nimma900)發(fā)射激光，激光器輸出鏡后放置激光衰減器，激光衰減器后放置半透射半反射鏡，一路激光反射到激光能量計探頭，用于測量能量，另一路激光透過凸透鏡聚焦擊穿空氣，在適當位置放置聲波探頭，聲波探頭后接入前置放大器，其后再接入數(shù)字存儲示波器，用來采集、顯示和保存聲波數(shù)據(jù)信息。測量系統(tǒng)裝置組成如圖1所示。采用Nd：YAG激光器，激光波長為1064nm和532nm，能量范圍100～200mJ，聲波探頭靈敏度-38.8dB(11.5mV/Pa)。在不同激光參數(shù)和不同測量條件下?lián)舸┛諝?，測量不同條件下的激光誘導擊穿等離子體聲波特性。

圖1 激光誘導擊穿聲波測量系統(tǒng)裝置組成圖

調(diào)整激光器使激光水平輸出，在發(fā)光點水平面內(nèi)垂直于激光傳播方向上(距離發(fā)光點大于60mm)放置聲音接收探頭。調(diào)節(jié)信號調(diào)理器放大倍數(shù)，觀察不同激光器輸出能量下的擊穿聲波波形；調(diào)節(jié)信號放大倍率，確保聲波圖像在示波器呈現(xiàn)出不飽和狀態(tài)，其他測量條件不變，測量并存儲不同條件下的擊穿聲波波形。環(huán)境條件：空氣溫度19℃，相對濕度45%。空氣壓力0.101MPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同激光能量下?lián)舸┛諝饴暡ǖ臅r域特性

測量條件：波長1064nm，脈寬9ns，聚焦透鏡焦距100mm，聲波探頭距離聲源130mm。

激光能量范圍103～196mJ，在9個不同能量(103 mJ、110 mJ、118 mJ、129 mJ、136 mJ、148 mJ、166 mJ、181 mJ、196mJ)下?lián)舸┛諝?，采集每個聲波的數(shù)據(jù)。

激光能量在103～196mJ的9個聲波在時域中的波形如圖2所示。

圖2 103～196mJ的9個聲波在時域中的波形

由圖2可以看出，能量從103～196mJ的激光誘導擊穿聲波波形極為相似。如聲波振幅在時域中存在相關(guān)性，則對該類聲波的數(shù)據(jù)分析比較簡便，因此首先對相關(guān)性進行定量分析。

選取能量為181mJ和196mJ的2個各自單次聲波波形數(shù)據(jù)，以196mJ的聲波振幅為橫坐標，以181mJ的聲波振幅為縱坐標，分別繪制同一時刻的數(shù)據(jù)點(每一點代表同一時刻的2個聲波振幅)，如圖3a所示。由圖3a可見，數(shù)據(jù)點呈現(xiàn)出線性關(guān)系，線性擬合系數(shù)為0.99827。選取能量為181mJ的2個單次聲波波形數(shù)據(jù)，以其中一個單次聲波振幅為橫坐標，以另一個單次聲波振幅為縱坐標，繪制數(shù)據(jù)點并進行擬合，如圖3b所示。由圖3b可見，數(shù)據(jù)點也呈現(xiàn)出線性關(guān)系，線性擬合系數(shù)為0.99826。取能量為103mJ和196mJ的2個各自單次聲波波形數(shù)據(jù)，繪制數(shù)據(jù)點并進行擬合，如圖3c所示。由圖3c可見，在能量相差近一倍時的2個各自單次聲波振幅的數(shù)據(jù)點也呈現(xiàn)出線性關(guān)系，線性擬合系數(shù)為0.9926。

圖3 不同激光能量下單次擊穿聲波振幅在不同時刻的相關(guān)性

由此可見，不同能量激光產(chǎn)生的擊穿聲波時域波形間的相關(guān)性與同一能量激光的不同脈沖產(chǎn)生的擊穿聲波時域波形間的相關(guān)性是一致的。由于激光誘導擊穿空氣聲波振幅在時域上具有顯著相關(guān)性，因此可以提取少數(shù)幾個時刻的信息代表完整聲波的特性。

2.2 擊穿空氣聲波強度的空間分布特性

激光誘導擊穿聲波的空間和時間分辨率較高，可應(yīng)用于聲吶技術(shù)中，尤其是水中小目標的探測。脈沖激光擊穿所激發(fā)聲場的方向特性對于合理選擇激光致聲條件和正確設(shè)計聲接收系統(tǒng)參量具有重要意義。

測量條件：激光波長1064nm，脈寬9ns，能量102mJ，聚焦透鏡焦距100mm，聲波探頭距離聲源250mm，探測角度45°、90°、135°、225°、270°、315°。激光誘導擊穿聲波測量角度示意圖如圖4所示。

圖4 激光誘導擊穿聲波測量角度示意圖

聲波探頭沿著測量角度方向?qū)蕮舸c，在激光能量102mJ、距離發(fā)聲點250mm的圓周上測量不同角度(方向)的聲波。每個測量點在同一激光能量下重復觀測50個擊穿聲波。

單次測量數(shù)據(jù)的相對標準偏差(Relative Standard Deviation，RSD)為5.0%～6.5%。為檢驗均值的一致性，利用t檢驗計算均值和置信區(qū)間(顯著性水平α選取雙側(cè)0.05)，計算結(jié)果見表1所示。表中SD(Standard Deviation)為標準偏差。

表1 觀測角度-聲波振幅列表(250mm，102mJ)

根據(jù)表1數(shù)據(jù)及數(shù)理統(tǒng)計理論計算，得到各對稱點的均值之差及均值差的標準偏差，計算結(jié)果如表2所示。

表2 均值差表(t檢驗臨界值1.98447，自由度γ=98)

由表2可見，225°和45°兩個對稱點的聲波振幅均值之差為0.0696，均值之差的標準偏差為0.021，兩均值之差的擴展不確定度為0.042，小于0.0696；因此，該兩點的均值不一致，225°聲波強度高于前向點對稱處45°的聲波強度。135°和315°兩個對稱點的數(shù)據(jù)分析也表明，兩均值之差為0.0584，均值差的標準偏差為0.018，兩均值之差的擴展不確定度為0.036，小于 0.0584；因此，該兩點的均值也不一致，135°聲波強度高于前向點對稱處315°的聲波強度。90°和270°兩個對稱點的數(shù)據(jù)分析表明，兩均值之差為0.0032，均值差的標準偏差為0.026，兩均值之差的擴展不確定度為0.052，大于0.0032；因此，該兩點的均值一致，90°聲波強度等于對稱處270°的聲波強度。

為更直觀地表現(xiàn)出聲波振幅和聲波探頭與激光器光軸的角度關(guān)系，將所得數(shù)據(jù)繪制成雷達圖，如圖5所示。

圖5 250mm處聲波振幅與角度關(guān)系

2.3 激光誘導擊穿空氣聲波的波前特性

為測量聲波振幅在不同方向上隨著距離的衰減情況，設(shè)計如下測量條件。

激光參數(shù)：激光波長1064nm，脈寬9ns，能量81mJ。透鏡焦距：100mm。探測方向：90°、45°、135°。聲源距離：150mm、200mm、250mm、300mm、350mm、400mm、450mm、500mm、550mm、600mm、650mm、700mm、750mm、800mm、850mm。

由2.2的結(jié)論可知，沿激光傳播方向軸對稱點處的聲波振幅相等，故僅需測量45°、90°、135°三個方向的數(shù)據(jù)。不同方向的聲波振幅衰減情況如圖6所示。

圖6 45°、90°、135°方向上聲波振幅隨距離的衰減

由圖6可以看出：距離相同時三個方向的聲波振幅不同，90°方向振幅最大，45°方向振幅次之，135°方向振幅最小；三個方向的聲波振幅衰減方式一致，近似于雙曲線。根據(jù)球面波的振幅隨距離按照雙曲線衰減(球面波振幅與聲源距離成反比)理論，構(gòu)建一定方向上傳播的球面波的振幅隨距離衰減的方程為

(1)

式中：x為發(fā)光中心與聲波探頭距離；x0為等效聲源與發(fā)光中心的距離；b為按照雙曲線擬合得到的該方向單位距離處(等效1mm處)的振幅值，可看成該方向的振幅相對強度；a為按照雙曲線擬合得到的該方向振幅測量系統(tǒng)校正值。等效聲源位置未知，無法直接測量，只能直接測量發(fā)光中心與聲波探頭的距離x。當x0取負值表明等效聲源位于發(fā)光中心到聲波探頭的連線一側(cè)，x0為正值表明等效聲源位于聲波探頭到發(fā)光中心連線的延長線一側(cè)。按照公式對數(shù)據(jù)進行擬合，結(jié)果如表3所示。

表3 聲波等效球面波擬合結(jié)果

由表3可以看出：在135°、45°、90°三個方向上的b值依次增大，表明90°方向振幅最強，135°方向振幅最弱，45°方向振幅強于135°方向，進一步證實了2.2的結(jié)論；三個方向上的x0值分別為-14.5mm、-6.5mm、-17.3mm，表明三個方向的等效聲源位置不同。

根據(jù)文獻[17]，波長1064nm、脈寬15ns的激光經(jīng)焦距147mm凸透鏡聚焦擊穿空氣時產(chǎn)生沖擊波，40～100mJ沖擊波初始速度可以達到6～8Ma，沖擊波傳播距離達到10～20mm時衰減為普通聲波。本文測量數(shù)據(jù)與該文獻數(shù)據(jù)相吻合，x0與該文獻中的沖擊波空間尺度10～20mm符合較好。x0與等效聲源位置有關(guān)，一個方向的等效聲源位置與沖擊波在各個方向的膨脹速度分布和總的聲場分布有關(guān)。由此可知，激光誘導擊穿空氣的沖擊波速度在不同方向上有差異，沖擊波的波前不是理想的球面，其波前方程包含角度和時間兩個變量，激光誘導擊穿空氣聲波的波前也為非球面。

3 結(jié)論

采用Nd：YAG光泵浦固體激光器研究激光誘導擊穿空氣的聲波特性。研究結(jié)果表明：不同能量激光產(chǎn)生擊穿聲波的時域波形間的相關(guān)性與同一能量激光的不同脈沖產(chǎn)生擊穿聲波的時域波形間的相關(guān)性一致；激光的傳播方向影響其擊穿聲波強度的空間分布特性，不同方向上的聲波強度不同，沿激光傳播方向軸對稱點處的聲波振幅相等；激光誘導擊穿空氣聲波的振幅與距離的關(guān)系按照球面波傳播方式衰減，激光誘導擊穿空氣聲波的波前為非球面。