王浩楠，徐送寧，李 倩，韓艷麗，寧日波

(沈陽理工大學(xué) 理學(xué)院，沈陽 110159)

激光誘導(dǎo)擊穿聲波是激光誘導(dǎo)等離子體快速膨脹時(shí)產(chǎn)生的弱擾動(dòng)(機(jī)械振動(dòng))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(xué)現(xiàn)象。理論上影響激光誘導(dǎo)擊穿聲波的主要因素有兩個(gè)：一是激光的特性參數(shù)，如激光的波長、強(qiáng)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(shí)(脈寬等不變)，激光誘導(dǎo)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(qiáng)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(qiáng)、壓縮系數(shù)等，在作用激光能量相同時(shí)，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(gè)影響因素中的某些參數(shù)變化時(shí)，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(dǎo)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(dǎo)等離子體同時(shí)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(xiàn)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(jī)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(qiáng)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(dá)”、激光沖擊波推進(jìn)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(xiàn)則很少。激光誘導(dǎo)擊穿聲波的空間和時(shí)間分辨率較高，探究激光誘導(dǎo)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(jì)聲接收系統(tǒng)參量[16]，對于廣泛深入研究激光誘導(dǎo)擊穿技術(shù)及其應(yīng)用具有重要意義。本文采用激光誘導(dǎo)擊穿聲波測量系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)研究激光誘導(dǎo)擊穿空氣聲波的時(shí)域和空氣聲波強(qiáng)度的空間分布等特性。

1 實(shí)驗(yàn)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(jì)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(dāng)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(chǔ)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(dǎo)擊穿等離子體聲波特性。

圖1 激光誘導(dǎo)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(diǎn)水平面內(nèi)垂直于激光傳播方向上(距離發(fā)光點(diǎn)大于60mm)放置聲音接收探頭。調(diào)節(jié)信號(hào)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(hào)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(chǔ)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%?？諝鈮毫?.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(shí)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(gè)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(gè)聲波的數(shù)據(jù)。

激光能量在103～196mJ的9個(gè)聲波在時(shí)域中的波形如圖2所示。

圖2 103～196mJ的9個(gè)聲波在時(shí)域中的波形

由圖2可以看出，能量從103～196mJ的激光誘導(dǎo)擊穿聲波波形極為相似。如聲波振幅在時(shí)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(jìn)行定量分析。

選取能量為181mJ和196mJ的2個(gè)各自單次聲波波形數(shù)據(jù)，以196mJ的聲波振幅為橫坐標(biāo)，以181mJ的聲波振幅為縱坐標(biāo)，分別繪制同一時(shí)刻的數(shù)據(jù)點(diǎn)(每一點(diǎn)代表同一時(shí)刻的2個(gè)聲波振幅)，如圖3a所示。由圖3a可見，數(shù)據(jù)點(diǎn)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(gè)單次聲波波形數(shù)據(jù)，以其中一個(gè)單次聲波振幅為橫坐標(biāo)，以另一個(gè)單次聲波振幅為縱坐標(biāo)，繪制數(shù)據(jù)點(diǎn)并進(jìn)行擬合，如圖3b所示。由圖3b可見，數(shù)據(jù)點(diǎn)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(gè)各自單次聲波波形數(shù)據(jù)，繪制數(shù)據(jù)點(diǎn)并進(jìn)行擬合，如圖3c所示。由圖3c可見，在能量相差近一倍時(shí)的2個(gè)各自單次聲波振幅的數(shù)據(jù)點(diǎn)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(shí)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(shí)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(shí)域波形間的相關(guān)性是一致的。由于激光誘導(dǎo)擊穿空氣聲波振幅在時(shí)域上具有顯著相關(guān)性，因此可以提取少數(shù)幾個(gè)時(shí)刻的信息代表完整聲波的特性。

2.2 擊穿空氣聲波強(qiáng)度的空間分布特性

激光誘導(dǎo)擊穿聲波的空間和時(shí)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(biāo)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(jì)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(dǎo)擊穿聲波測量角度示意圖如圖4所示。

圖4 激光誘導(dǎo)擊穿聲波測量角度示意圖

聲波探頭沿著測量角度方向?qū)?zhǔn)擊穿點(diǎn)，在激光能量102mJ、距離發(fā)聲點(diǎn)250mm的圓周上測量不同角度(方向)的聲波。每個(gè)測量點(diǎn)在同一激光能量下重復(fù)觀測50個(gè)擊穿聲波。

單次測量數(shù)據(jù)的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(Relative Standard Deviation，RSD)為5.0%～6.5%。為檢驗(yàn)均值的一致性，利用t檢驗(yàn)計(jì)算均值和置信區(qū)間(顯著性水平α選取雙側(cè)0.05)，計(jì)算結(jié)果見表1所示。表中SD(Standard Deviation)為標(biāo)準(zhǔn)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(jì)理論計(jì)算，得到各對稱點(diǎn)的均值之差及均值差的標(biāo)準(zhǔn)偏差，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 均值差表(t檢驗(yàn)臨界值1.98447，自由度γ=98)

由表2可見，225°和45°兩個(gè)對稱點(diǎn)的聲波振幅均值之差為0.0696，均值之差的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.021，兩均值之差的擴(kuò)展不確定度為0.042，小于0.0696；因此，該兩點(diǎn)的均值不一致，225°聲波強(qiáng)度高于前向點(diǎn)對稱處45°的聲波強(qiáng)度。135°和315°兩個(gè)對稱點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析也表明，兩均值之差為0.0584，均值差的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.018，兩均值之差的擴(kuò)展不確定度為0.036，小于 0.0584；因此，該兩點(diǎn)的均值也不一致，135°聲波強(qiáng)度高于前向點(diǎn)對稱處315°的聲波強(qiáng)度。90°和270°兩個(gè)對稱點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析表明，兩均值之差為0.0032，均值差的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.026，兩均值之差的擴(kuò)展不確定度為0.052，大于0.0032；因此，該兩點(diǎn)的均值一致，90°聲波強(qiáng)度等于對稱處270°的聲波強(qiáng)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(dá)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(dǎo)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(jì)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(diǎn)處的聲波振幅相等，故僅需測量45°、90°、135°三個(gè)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(shí)三個(gè)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??；三個(gè)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(qiáng)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(dāng)x0取負(fù)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(jìn)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(gè)方向上的b值依次增大，表明90°方向振幅最強(qiáng)，135°方向振幅最弱，45°方向振幅強(qiáng)于135°方向，進(jìn)一步證實(shí)了2.2的結(jié)論；三個(gè)方向上的x0值分別為-14.5mm、-6.5mm、-17.3mm，表明三個(gè)方向的等效聲源位置不同。

根據(jù)文獻(xiàn)[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(shí)產(chǎn)生沖擊波，40～100mJ沖擊波初始速度可以達(dá)到6～8Ma，沖擊波傳播距離達(dá)到10～20mm時(shí)衰減為普通聲波。本文測量數(shù)據(jù)與該文獻(xiàn)數(shù)據(jù)相吻合，x0與該文獻(xiàn)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(gè)方向的等效聲源位置與沖擊波在各個(gè)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(dǎo)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(shí)間兩個(gè)變量，激光誘導(dǎo)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(dǎo)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(shí)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(shí)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(qiáng)度的空間分布特性，不同方向上的聲波強(qiáng)度不同，沿激光傳播方向軸對稱點(diǎn)處的聲波振幅相等；激光誘導(dǎo)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(dǎo)擊穿空氣聲波的波前為非球面。