[发明专利]一种激光等离子体冲击波力学效应的光纤传感测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别涉及一种激光等离子体冲击波力学效应的光纤传感测量方法，主要用于激光与材料作用产生的等离子体冲击波力学效应的测量、分析与处理。

背景技术

激光辐照材料表面时, 由于材料表面对激光的吸收作用,材料表面温度不断升高，当材料表面温度达到汽化温度时,将发生汽化现象。如果烧蚀蒸汽粒子继续吸收激光能量, 蒸汽通过逆韧致辐吸收，使得激光能量大量沉积,蒸汽温度继续升高, 最后将导致蒸汽分子电离, 形成一种高温高压的等离子体。激光与材料相互作用产生的等离子体吸收后续激光能量，体积迅速膨胀，产生逆激光束方向传播的燃烧波（LSCW）或爆轰波（LSDW），最后出现一个非常陡峭的波阵面，形成激光等离子体冲击波。冲击波宏观上表现为一个高温、高压、高密度、高速运动的曲面，其作用过程快，持续时间短，属于脉冲高压作用，可以利用冲击波对金属材料进行激光冲击强化和冲击成型。由于激光冲击波压力峰值范围广，作用时间范围大，激光等离子体冲击波为材料的激光冲击强化处理、激光冲击成型、激光清洗、激光诱导核聚变、激光推进和激光医学等领域提供了新的发展方向。

目前国内外对激光等离子体冲击波力学效应的研究主要集中在理论分析、数值模拟和实验验证三方面。一方面是在靶材的烧蚀机理方面，比如双温模型、修正的双温模型等，缺乏真实描述飞秒激光等离子体冲击波动力学过程的理论模型；一方面是在分析激光等离子体的技术手段方面，比如超速光谱技术、光学多通道分析仪等技术手段，但是，这些技术手段以分子光谱学为主，并不能够较全面监测等离子体冲击波的动力学特性及力学效应；另一方面，在分析激光等离子体冲击波的力学效应的机理及相关检测方法，比如采用压电传感、悬摆和光学干涉等技术方法，采用悬摆法与光电测速法相结合的方法，采用一种基于光偏转的光纤传感器等方法，尽管如此，上述测量方法仍存在技术局限性，比如光学干涉仪光路较复杂，制备困难，测量时容易受到外界因素干扰，稳定性差，光源能量波动、传输与耦合损耗等问题，测量精度有限等等，在飞秒激光微等离子体冲击波的测量上存在困难。

总之，以上技术手段在研究激光等离子体冲击波力学效应上存在一定的局限性，需要探索一种具有高的空间分辨率、响应速率和灵敏度的新技术手段和方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种激光等离子体冲击波力学效应的光纤传感测量方法。利用光纤传感本身具有抗电磁干扰，不易受外界因素影响，稳定性好，测量灵敏度高和精度高，便于组网等优点，同时利用全光纤无胶微结构的探针，光纤F-P声发射探针传感器具有抗电磁干扰、响应频带宽且可调的特点，其尺寸仅125um，可探测飞秒激光等离子体冲击波产生、发展和衰减的时间分布和强度的空间分布，并且采用空分复用的测量方式，使本测量方法可实现对激光等离子体冲击波力学效应的非接触式、高精度、高响应速率、高灵敏度的多点立体式的精确测量。

本发明的技术方案：一种激光等离子体冲击波力学效应的光纤传感测量方法，所用测量仪器包括可调谐半导体激光光源、隔离器、分路器、耦合器、光纤F-P声发射传感探针、飞秒激光器、透镜、靶材、光电信号处理模块、数据采集模块、计算机、悬臂梁、FBG光纤光栅传感器和MOI解调仪；测量方法采用可调谐半导体激光光源作为测量过程中的光源，可调谐半导体激光光源发出的光经过光隔离器，再通过分路器分成6路光信号，通过耦合器连接光纤F-P声发射传感探针，6路光纤F-P声发射传感探针采用空分复用的方式接入光路；飞秒激光器产生的飞秒激光束通过透镜辐照靶材，产生高压激光等离子体冲击波；6路光纤F-P声发射传感探针采用空分复用的方式将探测到激光等离子体冲击波的声信号通过耦合器、分路器送入光电信号处理模块，经过处理后送入数据采集模块；通过计算机对采集到的信号进行分析处理，以测量飞秒激光等离子体冲击波在相同位置不同时间的声学频率与强度信息，获得冲击波的时间历程；通过测量相同时间不同位置等离子体冲击波的强度信息，获得冲击波的空间历程；在所述的悬臂梁上下表面粘贴FBG光纤光栅传感器，运用飞秒激光器的激光光束打在悬臂梁表面上的FBG光纤光栅传感器上，悬臂梁上下表面的FBG产生同样的正应变和负应变，进行温度去敏，从而实现对激光等离子体冲击波力学效应的特性的分析和测量，提高测量的精度。

本发明测量方法中，所述的飞秒激光器为LS-IF-FW-C-401型飞秒激光微加工系统，该飞秒激光器具有超短脉冲激发、峰值功率高、多光子吸收等特点，能够对所有材料可吸收和分解，包括金属、树脂、陶瓷、玻璃、单晶体等。