馬劍軍,胡冉冉

1.上海振華重工集團(tuán)(南通)傳動(dòng)機(jī)械有限公司,江蘇 南通 226019 2.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南通 226019

0 引言

激光誘導(dǎo)空化(laser-induced cavitation,LIC)是一種劇烈但相對可控的物理現(xiàn)象,其原理是激光擊穿液體介質(zhì)伴隨等離子發(fā)光、聲致發(fā)光等現(xiàn)象,進(jìn)而形成空泡。激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的空泡具有球?qū)ΨQ性好、易控制及機(jī)械變形小等優(yōu)點(diǎn),在各種工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)過程中都有應(yīng)用,如生物醫(yī)學(xué)診斷成像、光熱癌癥治療、基于空泡的傳感器和化學(xué)催化反應(yīng)等。特別是在工業(yè)應(yīng)用中,激光誘導(dǎo)空化開始和結(jié)束時(shí)伴隨空化損傷(沖擊波和微射流)可用于微結(jié)構(gòu)加工。

由于激光誘導(dǎo)空泡的生命周期很短,通常在幾納秒以內(nèi),同時(shí)空泡在液體中演化,很多測試手段不能精確捕捉空泡的形成,難以明確空泡的傳播過程[1]?？栈瘎?dòng)力學(xué)的測量通常基于光束偏轉(zhuǎn)、聲傳感器、光學(xué)散射、陰影攝影和全息攝影。本文主要闡述了高速攝影法、全息攝影法、光束偏轉(zhuǎn)法探究空泡的脈動(dòng)過程和等離子沖擊波的相關(guān)研究進(jìn)展情況。

1 高速攝影法的研究進(jìn)展

高速攝像機(jī)是目前空化試驗(yàn)中最常用的攝影測量設(shè)備,采用基于時(shí)間分辨的高速攝像法捕捉空泡圖像,表征空泡的脈動(dòng)過程和傳播機(jī)制,從而定性分析得到空泡的生命周期和演化過程。

1988年,Docchi et al.[2]利用條紋相機(jī)記錄了激光空化過程中等離子體從產(chǎn)生到膨脹到最終消失的過程。1989年,Vogel et al.[3]采用照明激光光延遲法對激光擊穿水介質(zhì)形成等離子體及沖擊波發(fā)展序列的成像進(jìn)行了展示,采用球?qū)ΨQ沖擊波模型描述水下激光等離子體沖擊波的初始波前結(jié)構(gòu)與實(shí)際情況差異較大。2001年,德國相關(guān)學(xué)者相繼開展空泡脈動(dòng)及空泡在壁面附近潰滅的高速攝影測量研究[4-6]。由于實(shí)驗(yàn)條件受限,之前國內(nèi)很少采用高速攝像技術(shù)研究空泡脈動(dòng)過程和動(dòng)力學(xué)特征,對于激光擊穿不同黏性液體介質(zhì)形成的空泡差異性研究未見報(bào)道。2009年,宗思光 等[7]采用高速攝影研究不同液體被擊穿后產(chǎn)生的空泡脈動(dòng)過程和傳播機(jī)制。2011年,Lee et al.[8]采用高速攝影法記錄了激光空化的正常過程和沖擊波發(fā)射的圖像序列,并描述了LIC過程中涉及的4個(gè)階段。劉濤 等[9-10]利用激光空化過程產(chǎn)生的空泡對空蝕現(xiàn)象進(jìn)行了研究。王雨虹 等[11]對激光空泡的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。上述研究更側(cè)重于過程中某一種現(xiàn)象的特性及應(yīng)用潛力,均未涉及這一過程的能量分布問題。直至2013年王曉宇 等[12]才研究激光擊穿水介質(zhì)后的能量分布特性,利用高速攝像機(jī)對激光擊穿水介質(zhì)過程中的沖擊波輻射、空泡脈動(dòng)等現(xiàn)象進(jìn)行了記錄,得到了沖擊波速度以及空泡尺寸等參數(shù),通過實(shí)驗(yàn)測量和數(shù)值計(jì)算對激光擊穿水介質(zhì)后的能量分布特性進(jìn)行了研究。圖1為用高速攝像機(jī)記錄的沖擊波傳播過程,沖擊波波陣面為圓環(huán)陰影狀態(tài),這是因?yàn)楦淖兞苏凵渎实墓饫w沒有照入鏡頭里。圖2為用高速攝像機(jī)記錄的空泡完整脈動(dòng)過程,可以看出空泡在膨脹和收縮階段具有很好的對稱性。

圖1 沖擊波圖像

圖2 空泡脈動(dòng)圖像

高速相機(jī)能夠拍出空泡的完整生命周期,分析其尺寸變化,進(jìn)而研究沖擊波和微射流。但高速攝影儀的曝光時(shí)間和幅間隔決定了它的時(shí)間分辨率,拍攝頻率越高,儀器造價(jià)也越貴。目前,電荷耦合器件(ICCD)相機(jī)在激光誘導(dǎo)空泡觀測中興起,曝光時(shí)間更短,記錄空泡圖像更準(zhǔn)確。2009年,Marti et al.[13]采用快速ICCD相機(jī)(2 ns柵極時(shí)間)記錄了鋁合金靶上激光光斑周圍區(qū)域的紋影照片和馬赫-曾德爾干涉圖。2021年,Pozar et al.[14]通過高速攝影法和紋影可視化,發(fā)現(xiàn)在平面或凹面附近產(chǎn)生的空泡不同,凹面將發(fā)射的沖擊波重新聚焦,并在生焦點(diǎn)附近引起二次空泡。2022年,Lee et al.[15]利用強(qiáng)化電荷耦合器件(ICCD)相機(jī)測量脈沖激光燒蝕鎳靶(Ni)過程中激光誘導(dǎo)空化泡(LICBs)的形成時(shí)間分辨,研究了LICBs在不同溶劑中的動(dòng)力學(xué)特性,發(fā)現(xiàn)LICBs的生命周期取決于液體介質(zhì)環(huán)境(即甲醇、去離子水、己烷和乙腈),并定量分析了鎳納米顆粒(NPs)的相與LICBs生命周期的關(guān)系。

2014年,Orthaber et al.[16]使用高速攝像機(jī)拍攝了激光誘導(dǎo)空泡在彈性薄膜附近的運(yùn)動(dòng)和薄膜破裂的形態(tài)。2017年,佟艷群 等[17]采用高速攝像機(jī)和水聽器探測納秒激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的空泡動(dòng)態(tài)特性。圖3為空泡收縮時(shí)的沖擊波圖像。

圖3 空泡收縮時(shí)沖擊波圖像

詳細(xì)研究激光誘導(dǎo)空化的初始和瓦解過程需要攝影測量系統(tǒng)的納秒分辨率(包括納秒曝光和納秒幀間時(shí)間),高速攝像機(jī)很難實(shí)現(xiàn)納秒時(shí)間間隔。一種分幅和條紋相機(jī)能夠達(dá)到納秒級的分辨率,但其復(fù)雜的技術(shù)和昂貴的價(jià)格使其未能上市。2021年,Han et al.[18]建立了基于PIV雙頭激光器和傳統(tǒng)工業(yè)相機(jī)的納秒分辨率攝影系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示了激光誘導(dǎo)空化泡的不對稱演化規(guī)律,橢球泡的長軸沿激光傳播方向和垂直于激光誘導(dǎo)擊穿到第1次坍塌的方向有2次反轉(zhuǎn)。圖4為60 mJ激光脈沖光擊穿后不同時(shí)間空化泡膨脹及沖擊波發(fā)射圖,可以看出攝影系統(tǒng)捕捉到了光學(xué)擊穿后的非球形空泡和沖擊波。從圖4(a)可以看出,氣泡壁不同位置的膨脹速度存在顯著差異;圖4(a)和(b)中,激光器沿著傳播方向的膨脹速度遠(yuǎn)大于沿垂直方向的膨脹速度。

圖4 60 mJ激光脈沖光擊穿后不同時(shí)間空化泡膨脹及沖擊波發(fā)射圖

高速攝影技術(shù)在研究空泡的脈動(dòng)過程和傳播機(jī)制方面十分重要,可以捕捉到空泡產(chǎn)生、脈動(dòng)、直至潰滅的完整脈動(dòng)過程,通過分析測量空泡尺寸以及潰滅時(shí)間等可以準(zhǔn)確得到空泡的脈動(dòng)周期以及最大半徑,但高速相機(jī)價(jià)格昂貴且對實(shí)驗(yàn)所需環(huán)境條件較為嚴(yán)苛。

2 全息攝影技術(shù)的研究進(jìn)展

由于小尺度和快速動(dòng)力學(xué),在介電擊穿和坍塌過程中氣泡內(nèi)部及其封閉環(huán)境的成像仍然是一個(gè)較大的挑戰(zhàn)。光學(xué)方法受遠(yuǎn)程目標(biāo)數(shù)值孔徑的限制,需要對距界面足夠遠(yuǎn)的空化泡成像。為了跟蹤相界運(yùn)動(dòng)和氣泡內(nèi)部動(dòng)力學(xué),需要亞納秒時(shí)間分辨率和亞微米空間分辨率。在沒有直接成像方法的情況下,只能通過對發(fā)射光的光譜測量來推斷坍縮泡的狀態(tài),并基于模型計(jì)算。目前,學(xué)界已經(jīng)建立了幾種模型來描述液體介質(zhì)擊穿的非線性現(xiàn)象和隨后的空化動(dòng)力學(xué)。然而,氣泡的動(dòng)力學(xué)演化和相邊界結(jié)構(gòu)的許多方面仍不清楚。開放性問題涉及不均勻性的存在和沖擊波的存在,甚至涉及氣泡和周圍沖擊波在不同狀態(tài)下的精確空間密度和壓力分布。

2021年,Vassholz et al.[19]證明了空化泡的近場全息成像單X射線自由電子激光(XFEL)脈沖,這種實(shí)驗(yàn)方法提供了播種后不同階段的準(zhǔn)瞬時(shí)高分辨率結(jié)構(gòu)探針,特別適用于研究氣泡產(chǎn)生和破滅的極端狀態(tài)。該方法提供了比超快速光學(xué)顯微鏡更高的分辨率和穿透深度,更重要的是它對電子密度剖面具有獨(dú)特的直接敏感性,這是前述光學(xué)方法無法達(dá)到的。X射線全息圖如圖5所示。

圖5 X射線全息圖

觀測空泡的數(shù)字同軸全息法是基于氣泡散射的參照光和物光的相干疊加產(chǎn)生的干涉條紋,它為在非固定和自由流動(dòng)條件下原位測量氣泡動(dòng)力學(xué)提供了優(yōu)勢。由于成像的景深較大,可以同時(shí)記錄測量體積中出現(xiàn)的空泡的三維位置、直徑等多種信息。Pejchang et al.[20]的實(shí)驗(yàn)研究利用全息技術(shù)獲得了納米粒子表面空泡的直徑,并通過模型對納米粒子的尺寸進(jìn)行了評估。2021年,Wang et al.[21]引入隨機(jī)分布的納米粒子作為空化成核過程,建立了基于高速數(shù)字全息顯微鏡(DHM)的激光誘導(dǎo)空泡動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),揭示了激光誘導(dǎo)空泡的動(dòng)態(tài)過程,得到空泡的最大直徑與形成時(shí)間的關(guān)系。

圖6所示為濾過色散下氣泡形成的記錄全息圖和重建圖像。其中,圖6(a)為50 nm空泡全息圖,圖6(b)為100 nm空泡全息圖,圖6(c)為圖6(a)的重建圖像,圖6(d)為圖6(b)的重建圖像。可以看出,納米粒子的大小導(dǎo)致了激光誘導(dǎo)空泡直徑的差異。

圖6 濾過色散下空泡形成的記錄全息圖和重建圖像

3 光偏轉(zhuǎn)法技術(shù)的研究進(jìn)展

光偏轉(zhuǎn)法(PBD)是基于空泡膨脹塌陷產(chǎn)生的沖擊波隨著液體密度改變使得探測光束能量發(fā)生改變,進(jìn)而間接反映空化泡半徑變化。基于PBD的方法可以同時(shí)測量空化泡和沖擊波,并且可以降低測量噪聲。此外,采用一維PBD掃描測量氣泡振蕩,具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、頻率響應(yīng)高(超過10 MHz)等優(yōu)點(diǎn)。Petkovsek et al.[22]利用光束偏轉(zhuǎn)探針和臂補(bǔ)償干涉儀監(jiān)測沖擊波的形成和傳播,測量空化泡的振蕩和相應(yīng)的沖擊波。2011年,Li et al.[23]采用探針光束偏轉(zhuǎn)的光纖診斷技術(shù)研究了環(huán)境壓力對激光誘導(dǎo)空泡動(dòng)力學(xué)的影響。結(jié)果表明:環(huán)境壓力線性增加時(shí),空泡最大半徑和潰滅時(shí)間均呈非線性減小,且環(huán)境壓力越大,氣泡最大半徑和潰滅時(shí)間減小速度越小。Liu et al.[24]利用光纖耦合光束偏轉(zhuǎn)(OBD)技術(shù)研究了氣泡半徑和振蕩時(shí)間隨溫度的變化規(guī)律。

光束偏轉(zhuǎn)適合于探測初次空泡諧振,對于后續(xù)由于能量衰減、空化半徑較小而沒有明顯體積變化的諧振,測得值偏小,且此方法對實(shí)驗(yàn)要求較高且需要多次重復(fù)檢測,后期數(shù)據(jù)處理工作量大。

4 結(jié)束語

高速攝影可以捕捉空泡脈動(dòng)的過程,從而定性分析得到空泡的全生命周期和演化過程,但其設(shè)備昂貴,實(shí)驗(yàn)條件要求嚴(yán)苛;全息攝影在不能直接成像時(shí)可以重現(xiàn)空泡的三維圖貌、位置、直徑等信息;光束偏轉(zhuǎn)對于初次空泡振蕩探測效果良好,但無法探測后續(xù)體積變化較小的振蕩。

目前,主要通過實(shí)驗(yàn)研究激光誘導(dǎo)空化空泡的動(dòng)力學(xué)特征,未來研究近壁面激光誘導(dǎo)空泡高時(shí)空分辨多尺度測量的機(jī)理研究優(yōu)化高速攝像法時(shí),采用高時(shí)空分辨成像技術(shù)采集空泡圖像,結(jié)合圖像處理方法分析,實(shí)現(xiàn)對空泡全生命周期的圖像和數(shù)據(jù)處理,開展近壁面激光誘導(dǎo)空泡的機(jī)理研究。