[发明专利]透明液体环境中对称空泡动力学的探测装置及方法

说明书

本发明公开了一种透明液体环境中对称空泡动力学的探测装置及方法，依据光束透射原理，采用由高稳定性、光强高斯分布的激光光源与光学元件组合形成的排状且光强分布较为均匀的光束作为探测光，对透明液体环境中的单个对称空泡进行多点探测。排状探测光中的每一束“一字型”探测光分别通过独立的光电探测器转化为电信号，并由示波器示出。对示波器得到的一组数据进行分析，即可得到单个对称空泡的动力学行为。本发明实现了通过单次测量对透明液体环境中单个对称空泡动力学行为的探测，方法简单且高效，适用于百微米量级及以上的对称空泡动力学行为的探测。

技术领域

本发明涉及光电探测领域，具体涉及空泡光学探测领域，特别涉及一种透明液体环境中对称空泡动力学的探测装置及方法。

背景技术

空泡是自然界和人类生产生活中常见的一种物理现象，人们对该现象的关注主要起源于1897年英国“果敢号”鱼雷艇和几艘蒸汽机船相继发生的螺旋桨效率严重下降事件。早期，人们对于空泡的研究多集中于其产生的负面影响，如空泡对水利机械、堤坝等设施表面的剥蚀破坏作用，以及空化噪声对鱼雷等水下兵器隐蔽性的破坏作用。随着科技的不断发展、空泡现象研究的不断深入，人们发现越来越多的领域涉及空泡现象，在某些领域空泡更是开始展现出其有利的一面。比如，在医疗领域中，空泡可应用于粉碎人体结石；在生物领域，空泡可应用于细胞薄膜穿刺；在工业加工领域，空泡可应用于水利钻孔。由此，空泡的研究具有重要的现实意义。

空泡的动力学行为是空泡的主要研究内容之一。常用的空泡动力学实验探测方法有很多，主要可以分为两类：一类是基于摄影法的实验方法，如高速摄影法、纹影法、全息摄影法等；另一类是基于探测光束的实验方法，比如光束偏转法、光束透射法等。其中，最为理想的方式是高速摄影法，该方法能够用于球形空泡、非球形的对称空泡、非对称空泡的探测。然而，由于空泡生命周期较短，为准确探测空泡的动力学行为，高速摄影法需要配备较高帧率的高速摄像机，成本较为高昂。对称空泡的动力学行为是常见的研究对象。对此，可采用激光光束作为基本探测手段，通过分析受空泡扰动的光束来提取激光光束与空泡作用点的动力学信息，如光束偏转法、光束透射法等。这种方法简单、易操作且花费少，多被用于对称空泡的动力学测量。采用该方法比较具有代表性的是2007年斯洛文尼亚卢布尔雅那大学的R等人，他们采用光束偏转法辅以二维扫描法测量得到了空泡某一时刻的二维形貌图，但该图是基于高可重复的空泡，通过多次重复测量分析得到的，工作量巨大。国内的李贝贝等人提出的基于概率分析的光学测量方法对测量的精度以及工作量都有了改进，但该方法依然基于空泡的高可重复性，需要进行多次重复测量。如何对单个空泡动力学行为进行低成本、高效率的探测一直是本领域光学测量方法的发展方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效的可对透明液体环境中对称空泡的动力学行为进行探测的装置及方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种透明液体环境中对称空泡动力学的探测装置，包括探测光束激光器、扩束镜、第一柱面凹透镜、可调光学狭缝、第一柱面凸透镜、矩形光阑、第二柱面凹透镜、第二柱面凸透镜、等间距矩形光阑、第三柱面凸透镜、第三柱面凹透镜、第四柱面凹透镜、对探测光束进行聚焦的透镜组、带干涉滤波片的光电探测器组、示波器组以及设有能透射探测光窗口的盛有透明液体的容器；

其中，等间距矩形光阑包括n个矩形光阑，对探测光束进行聚焦的透镜组所包含的透镜数、带干涉滤波片的光电探测器组所包含的光电探测器数以及示波器组所包含的示波器数均为n；探测光束激光器、扩束镜、第一柱面凹透镜、可调光学狭缝、第一柱面凸透镜、矩形光阑、第二柱面凹透镜、第二柱面凸透镜、等间距矩形光阑、第三柱面凸透镜、第三柱面凹透镜、第四柱面凹透镜沿探测光束发射方向依次同轴设置，设有能透射探测光窗口的盛有透明液体的容器位于第三柱面凹透镜和第四柱面凹透镜之间；对探测光束进行聚焦的透镜组将经第四柱面凹透镜扩散的每一束探测光分别聚焦到带干涉滤波片的光电探测器组中对应的光电探测器上，带干涉滤波片的光电探测器组的输出端与示波器组一一对应相连。

进一步地，所述第一柱面凹透镜、第一柱面凸透镜的轴向子午线与可调光学狭缝的缝隙中线，以及被测对称空泡的对称轴同方向。