摘要采用兩套光偏轉(zhuǎn)測試裝置對不同表面張力液體中激光空泡脈動及潰滅特性進行了實驗研究，獲得了液體表面張力改變對固壁近旁空泡生長和潰滅過程的影響。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；表面張力對空泡潰滅的影響要強于對膨脹的影響；液體張力越大，空泡脈動周期越短，且空泡對應(yīng)的最大泡半徑越小而收縮所能達到的最小泡半徑亦越小。此外，液體張力越大，射流所產(chǎn)生的瞬時沖擊力越大，即表面張力加強了液體射流對固壁的空蝕作用。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驗支持。

1引言

空泡研究是目前流體力學(xué)最活躍的領(lǐng)域之一。當一束高功率激光聚焦于水下靶材表面時，在聚焦區(qū)形成高溫高壓等離子體、沖擊波和空泡現(xiàn)象?？张菰趦?nèi)外壓差的作用下進行多次脈動，最終潰滅。固壁附近空泡的潰滅和反彈不僅會造成水泵葉片表面、船艦和潛艇螺旋槳表面以及控制管道和腔室中液體流動的閥門（包括人工心臟的閥門）表面的空蝕損壞，降低水力機械的性能，而且所產(chǎn)生的空化噪聲還會對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)生的空泡潰滅時會對人體組織產(chǎn)生嚴重的裂損等不良影響，但結(jié)合有毒藥物的使用也會起殺傷癌細胞等的治療作用。此外，空泡潰滅時將形成局部的高壓高溫（可達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)象的機制對流體力學(xué)科學(xué)的發(fā)展和實際應(yīng)用都具有重要的意義。

空泡現(xiàn)象是高速運動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、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，國內(nèi)外很多學(xué)者對液體張力對空泡的影響進行了大量研究，但是研究主要集中在液體張力改變對射流和空蝕的影響。

在對空泡及空蝕效應(yīng)的實驗檢測方面，文獻報道的非擾動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展，但存在造價昂貴、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器來提高光束偏折探測系統(tǒng)的靈敏度，對空泡的整個運動過程和潰滅對固壁面造成的空蝕作用進行全面的研究。

2實驗方法

2.1實驗裝置

實驗裝置的主體部分如圖1所示，脈沖Nd∶YAG激光1（波長1.06μm,脈寬10ns,最大激光能量500mJ）經(jīng)過分光鏡2,衰減片3和擴束裝置4,由會聚透鏡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6用來實時監(jiān)測入射激光的能量。實驗中靶面焦斑半徑為50μm.

圖1光偏轉(zhuǎn)實驗的主體裝置

探測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)字存儲示波器16等構(gòu)成，分別如圖2（a）和（b）所示。圖2（a）為探測空泡脈動特性的實驗裝置，其中探測組件9——14被固定在二維可移動平臺18上，如圖虛框所示，該平臺沿靶面法線方向（圖示箭頭方向）移動精度為10μm.當一束高功率激光聚焦到水下靶材表面時，會在作用區(qū)產(chǎn)生等離子體、空泡和沖擊波等一系列現(xiàn)象。

圖2探測裝置。（a）探測空泡脈動規(guī)律；（b）探測空泡潰滅對固壁面的空蝕作用

當探測光束通過靶面焦點正前方與空泡或沖擊波相互作用時將產(chǎn)生微小的改變，原光束傳播方向也將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此耦合進光纖傳感器的光強將減小。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)字存儲示波器上的電壓變化反映；圖2（b）為探測空泡潰滅對固壁面空蝕作用的實驗裝置。在脈沖激光作用下，靶材作用點的背面將產(chǎn)生微小的錐形突起，因此光束反射時相對原有反射光路要偏轉(zhuǎn)一定的角度。當探測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，反射光束變?yōu)橐画h(huán)形光斑，耦合進光纖的光通量會變小。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)字存儲示波器上的電壓變化來反映。該光纖傳感器的相關(guān)測試原理分別見參考文獻。本實驗觸發(fā)信號由光電二極管17（上升時間100ps）獲取激光反射光來實現(xiàn)。