激光聚焦擊穿液體的爆炸氣泡特性＊

宗思光，王江安，劉 濤，郭廣立

（1.海軍工程大學電子工程學院，湖北 武漢430033；2.北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京100081；3.中國人民解放軍91431部隊，廣東 湛江524005）

當藥包在水下邊界面附近被引爆時，爆炸沖擊波、氣泡脈動、氣泡壓縮沖擊波、氣泡壓縮射流是爆炸載荷對邊界沖擊破壞的基礎［1］。實藥爆炸是研究水下爆炸氣泡的重要手段，但對實驗設備要求高、成本大、實驗條件難以控制，難以從微觀角度對氣泡、水質特性與沖擊波、射流強度等定量關系進行研究［2－4］。強激光聚焦擊穿是利用光學擴束聚焦系統將強脈沖激光聚焦于液體之中，當聚焦區域的激光功率密度達到液體光擊穿閾值時，在聚焦區域將發生高溫高壓等離子體產生及膨脹、爆炸強閃光、氣泡脈動、氣泡壓縮沖擊波等現象。當氣泡在邊界面附近壓縮時，由于氣泡變形失穩還將形成射向邊界面的射流［5－6］。該過程類似于在光束聚焦區域發生了微爆炸。

本文中，利用調Q Nd：YAG 1.06μm激光聚焦擊穿液體介質，采用高速攝像機、壓力傳感測量系統對激光擊穿微爆炸沖擊波、氣泡脈動、氣泡壓縮沖擊波等參數進行測量，得到爆炸氣泡相關特性。

1 水下爆炸氣泡與激光擊穿氣泡相似性分析

強激光聚焦水下擊穿水介質，在聚焦區域將產生高溫、高壓的等離子體，等離子體向外膨脹，在輻射等離子體沖擊波的同時，氣泡形成。氣泡源于等離子體，因而可認為起始氣泡的半徑就是激光聚焦區域對應的半徑值。通常，氣泡在經歷了一系列膨脹、收縮、反彈并伴隨著若干次沖擊波輻射之后泡能最終將全部耗散。如果氣泡周圍存在固體壁面，則氣泡在壓縮階段還將產生高速射流等現象。

激光聚焦擊穿爆炸氣泡的動力學特性與水下藥包爆炸氣泡具有相似性，主要體現在：（1）從產生機理上來講，兩者本質上都是由于內外壓力差急劇擴大所產生。（2）兩者對外界的作用及其本身的發展過程類似。激光氣泡在固體邊界面附近壓縮時將產生沖擊波和射流；藥包爆炸氣泡壓縮時同樣會產生沖擊波和射流，兩者引起沖擊破壞的作用力基本相同；另外，兩者都具有脈動特性，即膨脹－壓縮－膨脹過程。同時，相比炸藥爆炸而言，強激光聚焦擊穿爆炸具有爆炸源尺寸、氣泡尺寸、炸點相對邊界面位置可控等優點，通過調節多路激光聚焦光束，可方便地研究多點爆炸氣泡脈動及壓縮效應的相互作用。

2 實驗設計

2.1 產生水下點爆炸的液體激光擊穿裝置

激光擊穿爆炸實驗測量系統如圖1所示。采用調Q Nd：YAG激光器輸出脈沖激光，光束經負透鏡擴束后再通過正透鏡匯聚至水槽中。光路中安置了45°分光鏡，通過激光能量計測量分光鏡分出部分光束的能量達到對入射激光能量的監測。在聚焦點，激光能量密度超過液體的擊穿閾值，發生光擊穿，產生點爆炸源，發出耀眼的等離子體閃光，等離子體對外膨脹形成脈動氣泡。隨著時間增加，氣泡脈動結束，在液體浮力作用下，氣泡上浮至液體表面。

對激光擊穿爆炸攝像采用的高速攝像機攝影頻率為360 000 s－1。對擊穿爆炸輻射的聲波信號，采用水聽器進行接收。根據不同距離上的不同強度爆炸沖擊波強度實測結果，可得到爆炸強度、氣泡特性與沖擊波、射流特性的相互關系。

圖1 水下激光擊穿爆炸特性實驗測量系統框圖Fig.1 Diagram of the experiment apparatus of laser－induced breakdown explosion bubble

2.2 液體特性

由于液體粘性、表面張力、液體飽和蒸汽壓是影響氣泡脈動的重要因素，尤其對氣泡膨脹（或收縮）最后階段的作用效果尤為明顯，它將直接決定氣泡的最小半徑、脈動周期和收縮的劇烈程度，因此選用在液體粘性、表面張力、液體飽和蒸汽壓方面具有代表性的酒精、水、硅油3種液體。液體參數特性可見文獻［7］，其中酒精的蒸汽壓比較大、表面張力和粘度都很小，水的表面張力比較大、有一定的蒸汽壓、粘度很小，硅油粘度比較大、表面張力和蒸汽壓都非常小。

3 數據分析

3.1 激光擊穿爆炸氣泡的脈動特性

典型的在360 000 s－1幀率下激光擊穿水、硅油、酒精液體的獲取擊穿爆炸圖像如圖2所示（從圖像序列中從每隔10幀取1幀，畫幅間隔30.55μs）。

從圖2可以看出，相同入射激光能量下，不同液體條件下獲得氣泡的脈動周期、氣泡尺寸具有差異性。對氣泡脈動圖像序列進行識別，可得到氣泡尺寸的變化曲線。由于氣泡壓縮后為非規則的球狀，在計算中分別考慮了氣泡在水平和垂直方向的尺寸變化。以不同激光能量E擊穿不同液體時爆炸氣泡在水平和垂直方向的尺寸D隨時間的變化關系分別如圖3～5所示。

通過對激光擊穿爆炸氣泡圖像序列的分析，可得出以下結論：（1）隨著激光能量的增加，激光擊穿爆炸氣泡膨脹至最大尺寸時的直徑變大；（2）在相同入射光能量條件下，硅油擊穿得到的最大氣泡直徑大于酒精擊穿、水擊穿獲得的最大氣泡直徑，原因在于硅油擊穿獲得的等離子體對激光的吸收系數大于水、酒精對激光的吸收系數；（3）激光擊穿爆炸氣泡尺寸隨著時間逐漸變小，在脈動后期，破裂成小氣泡群（水、酒精液體）或以單氣泡（硅油）上浮至液體表面；（4）在激光擊穿爆炸氣泡膨脹初期和閉合末期，氣泡壁運動速度最快；（5）激光擊穿水形成爆炸氣泡脈動次數較少，在第1次閉合后，氣泡的大部分能量以沖擊波的形式對外輻射；（6）水中爆炸氣泡膨脹達到最大尺寸時，近似呈球狀，同時邊緣依附著許多小氣泡，而當氣泡閉合至最小尺寸時，表現出極不規則的四極形狀，水氣泡第1次即壓縮成2個小氣泡進行第2次膨脹；（7）酒精中爆炸氣泡在第1次膨脹到最大尺寸時，呈近球形，大泡上也出現很多小氣泡，在第1次閉合后破裂成扁平狀的氣泡進行反彈，同時氣泡的邊緣更不規則，在第2次閉合后破裂成樹狀氣泡進行反彈；（8）由于液體粘性系數大，硅油中爆炸氣泡膨脹到最大尺寸時接近球形，氣泡邊緣平滑，氣泡閉合后不會破裂，閉合至最小尺寸時，氣泡輻射出沖擊波，接著氣泡作整泡反彈，而不是作為小氣泡群反彈，同時氣泡反彈次數明顯高于水氣泡及酒精氣泡；（9）激光擊穿爆炸氣泡在閉合坍塌時，表現的形狀具有不穩定性，有可能是激光擊穿液體形成等離子初期的各向異性造成的。

圖2 360 000 s－1記錄激光擊穿爆炸氣泡脈動Fig.2 Explosion bubble dynamics based on photograph frequency 360 000 s－1

圖3 水氣泡直徑隨時間變化關系Fig.3 Relation between water explosion bubble diameter and time

圖4 硅油氣泡直徑隨時間變化關系Fig.4 Relation between silicon explosion bubble diameter and time

圖5 酒精氣泡直徑隨時間變化關系Fig.5 Relation between alcohol explosion bubble diameter and time

3.2 激光擊穿爆炸沖擊波速度特性

激光擊穿爆炸沖擊波、氣泡壓縮沖擊波對液體流場擾動導致了液體的光學折射率發生變化，進而可通過光學成像觀測到沖擊波波前引起的圖像特征的變化。通過圖像序列中沖擊波波前在不同時刻的位置，可計算出沖擊波的傳播速度及變化規律。激光擊穿水、硅油、酒精液體形成的爆炸沖擊波序列如圖6所示（畫幅間隔2.778μs）。

從沖擊波發展的圖像序列可以看出，激光擊穿爆炸沖擊波發生于等離子體膨脹初期，并迅速與等離子體氣泡壁分離，沖擊波波陣面近似球面波向外輻射，在激光入射方向沖擊波速度較垂直光束方向稍大。3種液體中氣泡壓縮至最小尺寸后輻射的沖擊波發展序列見圖7（畫幅間隔2.778μs）。

圖6 激光擊穿爆炸沖擊波圖像Fig.6 Shock wave image of laser－induced explosion bubble expansion

圖7 氣泡壓縮沖擊波圖像Fig.7 Shock wave image of laser－induced explosion explosion bubble collapse

根據沖擊波波前在不同時刻的位置，可計算出沖擊波傳播的絕對速度及變化規律。同時也可根據圖像強度特征的變化，觀測沖擊波強度的相對變化。距氣泡中心不同距離上沖擊波傳播速度如表1所示，表中E為激光能量，d為沖擊波波陣面距氣泡中心的距離，v為沖擊波波陣面傳播速度。

表1 激光擊穿爆炸沖擊波、氣泡壓縮輻射沖擊波傳播速度Table 1 Shock wave velocity of plasma bubble expansion and bubble collapse

從不同能量條件下對多次獲得的3種液體擊穿爆炸圖像計算可得出論：（1）距離泡心越近，沖擊波速度增加越快。當572 mJ激光脈沖擊穿水時，對于激光擊穿爆炸沖擊波，距離泡心約5.99 mm處，實測的沖擊波速度可達2 157 m/s；對于水中氣泡第1次壓縮沖擊波，距離泡心約5.57 mm處，實測的沖擊波速度可達2 329 m/s，在距離泡心12～13 mm時，衰減為普通聲波信號；（2）硅油氣泡壓縮輻射的沖擊波強度弱于激光擊穿爆炸沖擊波強度，原因是硅油粘性系數大，減緩了氣泡壓縮時泡壁的速度，氣泡不易壓縮。而酒精氣泡、水氣泡壓縮輻射的沖擊波強度強于等離子體氣泡膨脹輻射的沖擊波強度，原因是酒精、水粘性系數小，氣泡壓縮時泡壁速度快，氣泡易壓縮，氣泡能量更易轉換為沖擊波能量對外輻射。

3.3 激光擊穿爆炸沖擊波強度變化特性

在對激光聚焦擊穿爆炸聲信號分析時，以直達波為主。在距離擊穿點2.5 m處，水聽器測量到的聲脈沖序列如圖8所示。通過調節激光器的輸出能量，統計得到的激光束聚焦擊穿、距離擊穿點150 mm處，激光擊穿爆炸聲波強度、氣泡壓縮聲波強度隨入射激光能量的變化規律如圖9所示。

圖8 距離擊穿點2.5 m處水聽器測量到的直達激光聲脈沖序列Fig.8 Through laser－induced acoustic signal at 2.5 m

圖9 激光聲信號強度與入射激光能量關系Fig.9 Relation between acoustic signal intensity and laser energy

從實驗數據可以看出：（1）整體來看，激光聚焦擊穿爆炸的聲信號強度與入射激光能量成正比，入射激光能量越高，聲信號越強；但隨著激光能量提高，激光擊穿輻射的聲信號強度增長速度變緩；（2）氣泡壓縮聲信號強度大于激光聚焦擊穿爆炸聲信號強度，該結論與高速攝影結果一致。

4 結 論

（1）激光擊穿爆炸技術是研究單一點爆炸氣泡特性的較好手段；（2）對于不同的液體介質中的激光擊穿爆炸，激光擊穿爆炸聲波、氣泡壓縮輻射聲波強度的變化關系主要與液體的粘性系數相關。

［1］庫爾P.水下爆炸［M］.羅耀杰，韓潤澤，官信，等，譯.北京：國防工業出版社，1960.

［2］方斌，朱錫，陳細弟，等.水平剛性面下方水下爆炸氣泡垂向運動的理論研究［J］.爆炸與沖擊，2006，26（4）：345－350.FANG Bin，ZHU Xi，CHEN Xi－di，et al.Pulsation dynamics of an underwater explosion bubble vertical migrating to a horizontal rigid plane［J］.Explosion and Shock Waves，2006，26（4）：345－350.

［3］張阿漫，姚熊亮.水下爆炸氣泡與復雜彈塑性結構的相互作用研究［J］.應用數學和力學，2008，29（1）：81－92.ZHANG A－man，YAO Xiong－liang.Interaction of underwater explosion bubble with complex elastic－plastic structure［J］.Applied Mathematics and Mechanics，2008，29（1）：81－92.

［4］方斌，朱錫，張振華，等.水下爆炸沖擊波數值模擬中的參數影響［J］.哈爾濱工程大學學報，2005，26（4）：419－424.FANG Bin，ZHU Xi，ZHANG Zhen－hua，et al.Effect of parameters in numerical simulation of underwater shock wave［J］.Journal of Harbin Engineering University，2005，26（4）：419－424.

［5］Vogel A，Lauterborn W，Timm R.Optical and acoustic investigations of the dynamics of laser－produced cavitation bubbles near a solid boundary［J］.Fluid Mechanics，1989，206：299－338.

［6］Vogel A，Busch S，Parlitz U.Shock wave emission and cavitation bubble generation by picosecond and nanosecond optical breakdown in water［J］.Journal Acoustics Society，1996，100（1）：148－165.

［7］劉光啟，馬連湘.化工物性手冊［M］.北京：化學工業出版社，2002：189－192.