摘要(yao)采用(yong)兩套光(guang)偏轉測試裝置對(dui)(dui)(dui)不同表面張(zhang)力(li)液(ye)體(ti)(ti)中激光(guang)空(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)泡(pao)脈動及潰(kui)滅(mie)(mie)特性進行了實驗研究，獲得了液(ye)體(ti)(ti)表面張(zhang)力(li)改變對(dui)(dui)(dui)固壁(bi)(bi)近旁空(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)泡(pao)生長和(he)潰(kui)滅(mie)(mie)過(guo)程(cheng)的影響。結果(guo)表明，表面張(zhang)力(li)延(yan)緩了空(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)泡(pao)的膨(peng)脹(zhang)(zhang)過(guo)程(cheng)，加速了空(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)泡(pao)的潰(kui)滅(mie)(mie)；表面張(zhang)力(li)對(dui)(dui)(dui)空(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)泡(pao)潰(kui)滅(mie)(mie)的影響要(yao)強(qiang)于對(dui)(dui)(dui)膨(peng)脹(zhang)(zhang)的影響；液(ye)體(ti)(ti)張(zhang)力(li)越(yue)大，空(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)泡(pao)脈動周期(qi)越(yue)短，且(qie)空(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)泡(pao)對(dui)(dui)(dui)應(ying)的最大泡(pao)半徑越(yue)小(xiao)而收縮所能達(da)到的最小(xiao)泡(pao)半徑亦越(yue)小(xiao)。此外，液(ye)體(ti)(ti)張(zhang)力(li)越(yue)大，射(she)(she)流(liu)所產生的瞬時沖擊力(li)越(yue)大，即表面張(zhang)力(li)加強(qiang)了液(ye)體(ti)(ti)射(she)(she)流(liu)對(dui)(dui)(dui)固壁(bi)(bi)的空(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)蝕(shi)作用(yong)。研究結果(guo)可為水下激光(guang)加工(gong)、激光(guang)醫(yi)療、空(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)化空(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)蝕(shi)相(xiang)關流(liu)體(ti)(ti)力(li)學的研究提供一定(ding)的理論和(he)實驗支持。

1引言

空(kong)泡研(yan)究是目前流(liu)體(ti)(ti)(ti)力學最(zui)活躍的(de)(de)領(ling)域之一。當一束高(gao)(gao)(gao)功率激光(guang)(guang)聚(ju)焦于(yu)水下靶材表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)時，在聚(ju)焦區形成(cheng)(cheng)高(gao)(gao)(gao)溫(wen)高(gao)(gao)(gao)壓等(deng)離(li)子體(ti)(ti)(ti)、沖擊波和(he)空(kong)泡現(xian)象(xiang)(xiang)。空(kong)泡在內(nei)外壓差的(de)(de)作(zuo)用下進行多(duo)次脈(mo)動，最(zui)終潰滅。固壁附(fu)近(jin)空(kong)泡的(de)(de)潰滅和(he)反彈(dan)不僅會造(zao)成(cheng)(cheng)水泵葉片表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)、船艦和(he)潛艇螺旋槳(jiang)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)以及(ji)控制管道和(he)腔室中(zhong)液(ye)體(ti)(ti)(ti)流(liu)動的(de)(de)閥(fa)門(men)（包括人工心臟的(de)(de)閥(fa)門(men)）表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)空(kong)蝕損(sun)壞，降低(di)水力機械的(de)(de)性能，而且(qie)所產(chan)生(sheng)的(de)(de)空(kong)化噪聲還會對軍艦和(he)潛艇的(de)(de)安全造(zao)成(cheng)(cheng)危(wei)害。醫學中(zhong)激光(guang)(guang)在人體(ti)(ti)(ti)組織(zhi)中(zhong)所產(chan)生(sheng)的(de)(de)空(kong)泡潰滅時會對人體(ti)(ti)(ti)組織(zhi)產(chan)生(sheng)嚴(yan)重的(de)(de)裂損(sun)等(deng)不良影響，但結(jie)合(he)有毒藥(yao)物(wu)的(de)(de)使用也會起殺(sha)傷癌細(xi)胞等(deng)的(de)(de)治(zhi)療(liao)作(zuo)用。此外，空(kong)泡潰滅時將形成(cheng)(cheng)局部的(de)(de)高(gao)(gao)(gao)壓高(gao)(gao)(gao)溫(wen)（可達(da)1億度），這可為(wei)核(he)武器的(de)(de)研(yan)制和(he)可控熱核(he)反應(ying)的(de)(de)研(yan)究提供一種新途(tu)徑。隨著科技(ji)的(de)(de)發展(zhan)，不斷有伴(ban)隨空(kong)泡所發生(sheng)的(de)(de)新的(de)(de)物(wu)理現(xian)象(xiang)(xiang)的(de)(de)發現(xian)，而弄(nong)清這些復(fu)雜物(wu)理現(xian)象(xiang)(xiang)的(de)(de)機制對流(liu)體(ti)(ti)(ti)力學科學的(de)(de)發展(zhan)和(he)實際應(ying)用都具有重要的(de)(de)意義。

空(kong)泡現(xian)象是(shi)高速(su)運動的(de)液(ye)(ye)體(ti)所特有的(de)物(wu)理現(xian)象，它的(de)初生與(yu)發展取(qu)決于許多復雜的(de)因(yin)素(su)，如液(ye)(ye)體(ti)的(de)物(wu)性（包括蒸(zheng)氣(qi)壓強、液(ye)(ye)體(ti)的(de)表面張(zhang)力大(da)小、液(ye)(ye)體(ti)的(de)密度、液(ye)(ye)體(ti)的(de)壓縮性等）、液(ye)(ye)體(ti)的(de)流速(su)、液(ye)(ye)體(ti)的(de)溫度等。張(zhang)力是(shi)影響空(kong)泡膨脹(zhang)（收(shou)縮）最后(hou)階段(duan)的(de)重要因(yin)素(su)，它將直接決定空(kong)泡的(de)泡半徑、收(shou)縮周期(qi)和(he)收(shou)縮的(de)劇烈程度。目前，國內外很多學(xue)者對(dui)液(ye)(ye)體(ti)張(zhang)力對(dui)空(kong)泡的(de)影響進行了大(da)量(liang)研究，但是(shi)研究主要集中(zhong)在液(ye)(ye)體(ti)張(zhang)力改(gai)變對(dui)射流和(he)空(kong)蝕的(de)影響。

在(zai)對空(kong)(kong)泡(pao)及空(kong)(kong)蝕效(xiao)應的(de)實驗檢測方面(mian)，文(wen)獻報道的(de)非擾動診斷方法主(zhu)要(yao)有高(gao)速(su)(su)攝(she)影法、條紋攝(she)像(xiang)法、干涉法及光(guang)束(shu)偏(pian)轉法等。其中高(gao)速(su)(su)攝(she)影法、干涉法和(he)紋影法使空(kong)(kong)泡(pao)潰滅研(yan)究(jiu)取得了很(hen)大進展，但存在(zai)造價昂貴、結構復雜等困難。本文(wen)采(cai)用兩套基于光(guang)偏(pian)轉原理(li)的(de)光(guang)纖(xian)傳感(gan)(gan)器，利用光(guang)纖(xian)作為位置敏感(gan)(gan)探(tan)測器來提高(gao)光(guang)束(shu)偏(pian)折(zhe)探(tan)測系統(tong)的(de)靈敏度，對空(kong)(kong)泡(pao)的(de)整個運動過程(cheng)和(he)潰滅對固(gu)壁面(mian)造成的(de)空(kong)(kong)蝕作用進行全面(mian)的(de)研(yan)究(jiu)。

2實驗方法

2.1實驗裝置

實(shi)驗裝置的(de)主體部分如圖(tu)1所示(shi)，脈(mo)沖Nd∶YAG激(ji)光(guang)1（波長(chang)1.06μm,脈(mo)寬10ns,最大激(ji)光(guang)能(neng)量500mJ）經過分光(guang)鏡(jing)2,衰減片(pian)3和擴(kuo)束裝置4,由會聚透鏡(jing)5（焦(jiao)(jiao)距150mm）聚焦(jiao)(jiao)于銅靶7上。水槽8里(li)裝有具有不(bu)同表面張力的(de)液體。能(neng)量計6用來(lai)實(shi)時監測入射激(ji)光(guang)的(de)能(neng)量。實(shi)驗中靶面焦(jiao)(jiao)斑半徑為50μm.

圖1光偏轉實驗的(de)主體裝置(zhi)

探測裝置由兩套基于光偏轉原理的光纖傳(chuan)感器(qi)(qi)組成。該(gai)傳(chuan)感器(qi)(qi)由HeNe激(ji)光器(qi)(qi)9,聚焦(jiao)透(tou)鏡10,顯微物鏡11,干(gan)涉濾波片12,光纖調節器(qi)(qi)13,單模(mo)光纖14,光電倍增(zeng)管15以及數字存儲示(shi)波器(qi)(qi)16等(deng)構成，分(fen)別(bie)如(ru)圖(tu)2（a）和（b）所示(shi)。圖(tu)2（a）為探測空(kong)泡(pao)(pao)脈(mo)動特(te)性的實(shi)驗裝置，其中探測組件9——14被固定在二維可移(yi)動平臺18上，如(ru)圖(tu)虛框所示(shi)，該(gai)平臺沿靶面法(fa)線方(fang)向(xiang)（圖(tu)示(shi)箭頭方(fang)向(xiang)）移(yi)動精度為10μm.當一束高功率激(ji)光聚焦(jiao)到(dao)水(shui)下靶材表面時，會在作用區產生等(deng)離子體(ti)、空(kong)泡(pao)(pao)和沖擊波等(deng)一系列現(xian)象。

圖2探(tan)(tan)測裝置。（a）探(tan)(tan)測空(kong)泡(pao)脈動(dong)規(gui)律；（b）探(tan)(tan)測空(kong)泡(pao)潰滅對固壁面的空(kong)蝕作(zuo)用

當(dang)探測(ce)(ce)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)束通(tong)過靶(ba)面(mian)焦點正前(qian)方(fang)與(yu)空泡(pao)或沖(chong)擊波相(xiang)互作用(yong)時(shi)將產生(sheng)微小的(de)(de)(de)(de)改變(bian)，原光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)束傳播(bo)方(fang)向也將發生(sheng)偏轉，因(yin)此(ci)(ci)耦(ou)合(he)進光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)傳感(gan)器的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)強將減小。由(you)于(yu)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)通(tong)量的(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)體現(xian)為(wei)(wei)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)流或電(dian)(dian)壓的(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)，因(yin)此(ci)(ci)空泡(pao)泡(pao)半徑的(de)(de)(de)(de)演變(bian)可(ke)以(yi)從數(shu)字(zi)(zi)存儲示(shi)波器上的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)壓變(bian)化(hua)(hua)反(fan)映；圖2（b）為(wei)(wei)探測(ce)(ce)空泡(pao)潰(kui)滅對固壁面(mian)空蝕(shi)作用(yong)的(de)(de)(de)(de)實驗裝置。在脈沖(chong)激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)作用(yong)下，靶(ba)材作用(yong)點的(de)(de)(de)(de)背面(mian)將產生(sheng)微小的(de)(de)(de)(de)錐形突起，因(yin)此(ci)(ci)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)束反(fan)射時(shi)相(xiang)對原有反(fan)射光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)路要偏轉一定的(de)(de)(de)(de)角度。當(dang)探測(ce)(ce)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)束照在因(yin)激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)作用(yong)而形成凸起的(de)(de)(de)(de)錐形上，且光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)斑中心(xin)與(yu)錐心(xin)重合(he)時(shi)，反(fan)射光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)束變(bian)為(wei)(wei)一環(huan)形光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)斑，耦(ou)合(he)進光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)通(tong)量會變(bian)小。因(yin)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)通(tong)量的(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)體現(xian)為(wei)(wei)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)流或電(dian)(dian)壓的(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)，因(yin)此(ci)(ci)靶(ba)材所受力(li)的(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)可(ke)以(yi)從數(shu)字(zi)(zi)存儲示(shi)波器上的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)壓變(bian)化(hua)(hua)來反(fan)映。該(gai)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)傳感(gan)器的(de)(de)(de)(de)相(xiang)關測(ce)(ce)試原理分別見參考文獻。本實驗觸發信號(hao)由(you)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)二(er)極(ji)管17（上升時(shi)間(jian)100ps）獲取激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)反(fan)射光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)來實現(xian)。