環形定子的激光致表面波機理及可視化探測研究*

李方浩 章海軍 張冬仙

(浙江大學,現代光學儀器國家重點實驗室,杭州 310027)

1 引言

近年來,隨著微納米技術及微型光機電系統(MOEMS)的快速發展,對驅動技術也提出了新的要求.現有的驅動技術主要有電磁驅動、靜電驅動[1]、壓電驅動[2]、電熱驅動[3]、光熱驅動[4-7]等,其中電磁、靜電、壓電和電熱等驅動方法需要采用導線將控制電流或控制電壓引入到驅動機構中,因而無法真正實現非接觸式的驅動控制;光熱驅動采用將激光能量轉換成熱能的方法,實現對驅動機構的非接觸控制,但是,受限于其所使用的光熱轉換機制,光和熱的轉換過程相對緩慢,這類光熱驅動機構一般只能實現低速或低頻驅動.因此,我們致力于研究發展一種基于激光致表面波的非接觸式驅動方法,提出采用納秒級超短脈沖激光激發出表面波,以此作為驅動源,實現對驅動機構(如馬達)的驅動控制.

就激光激發聲波這一物理特性而言,目前研究和應用較多的主要有光聲光譜分析和激光超聲探測等.光聲光譜多用于對材料的成分、形貌及其他物理特性的分析,如多晶體材料彈性模量的研究[8]、薄膜機械和結構特性分析[9,10]、光聲顯微成像[11]等.激光超聲探測利用光致超聲波在待測物件內部傳播時遇到疵點等損傷使其傳播特性發生變化的原理,實現內部損傷的探測[12-14].本文所提出的基于激光致表面波的新型驅動方法,利用的是激光在物體表面(如定子)激發出表面波的橢圓形傳播軌跡,實現對貼合在該物體表面的目標(如動子)的驅動.為此,本文開展了激光在環形定子表面激發表面波的物理模型及可視化實驗研究,為發展光致表面波馬達及驅動機構提供理論和實驗基礎.

2 原理與方法

2.1 環形定子的激光致表面波物理模型

當用脈沖激光照射固體材料表面時,材料將吸收光能形成局部熱源并發生局部熱膨脹;激光作用結束后,熱源消失,該熱膨脹區域發生收縮.這種周期性的膨脹和收縮運動將形成聲場并向周邊區域輻射聲波,其中沿介質表面傳播的彈性波稱為表面波,它是表面縱波和沿垂直表面方向振動的橫波疊加干涉的結果.

本文設計了一種帶有凹槽陣列結構的環形定子,如圖1所示,用脈沖激光照射該環形定子以激發表面波.圖中,O為激光照射點,其位置取在圓環環帶的中點處,以此為坐標原點建立直角坐標系,圓環內徑為r1,外徑為r2,C為凹槽陣列區域.

圖1 帶有凹槽陣列的環形定子示意圖

脈沖激光照射O點時,在t時刻環形定子表面形成的熱源方程為

其中Q0是激光的單脈沖能量,R是反射率,a為光斑半徑,t0為激光脈沖寬度,和k分別代表復折射率和波矢.

該熱源在環形定子中發生熱傳導,形成溫度場T(x,y,z,t),熱傳導方程為ρ,c,k分別為材料密度、比熱容、熱傳導率,聲場中表面波形變量Us(x,y,z,t)與溫度T(x,y,z,t)服從熱彈性方程[14]:

λ和μ為蘭姆常數,α是熱擴散系數.表面波在圓環內徑和外徑邊界處以及凹槽邊界處振幅為零,邊界條件有:

(4)式中Σ為齒狀凹槽所形成的外表面.方程組(1),(2),(3)和邊界條件(4)構成了激光在環形定子表面激發出的表面波的物理模型.該方程組通過有限元迭代方法進行仿真計算,得出激光在環形定子激發的表面波振幅近似正比于激光單脈沖能量Q0,熱傳導率k,反比于光照面積πa2,激光脈寬t0,比熱c;振幅在z向隨厚度的增加按指數衰減.因此,表面波傳播到凹槽區域時將被凹槽陣列多次衰減和阻擋,表面波振幅值逐漸趨近于零,即表面波將不能穿過凹槽陣列區.

2.2 激光致表面波的動態可視化探測方法

圖2 激光致表面波在環形定子上傳播的可視化探測原理

如圖2(a)所示,激光激發出的表面波從照射點向外沿環形定子表面傳播,由壓電傳感器在某一測量點探測并輸入到計算機中.對于每一給定的測量點(如A點),表面波傳播至該點的振動狀態隨時間的變化可以被準確地觀測到;不斷改變測量點的位置(如B和C點等),則可探測出表面波傳播至環形定子表面所有的點的振動狀態,而將所有這些點的波形信息整合起來,就可以對表面波的整體傳播樣貌進行分析.但是,不斷移動傳感器在圓環上的位置進行逐點探測,在實際操作中很難實現,而移動激光照射點則相對容易得多.因此,利用表面波在激光照射點和傳感器探測點之間傳播的可逆關系,可按圖2(b)所示進行等效處理,將壓電傳感器置于原激光照射點處,而激光照射點在整個圓環面上逐點掃描,在每一點 (如 A′,B′,C′點等)激發出的表面波均由位置固定的傳感器探測,并將探測到的波形信息收集,按時序重構各點的振動狀態,即可等效地還原出由照射在傳感器位置處的激光單脈沖激發的表面波在圓環面上的傳播圖樣,從而實現激光致表面波的可視化探測.

3 實驗與結果

實驗中環形定子的材料選用熱傳導率相對較大、比熱容相對較小的黃銅;圓環整體尺寸為外徑40 mm,內徑30 mm,厚度2 mm;在其環面上切割出6個相鄰間距為0.5 mm,寬0.5 mm,深1.5 mm的凹槽,如圖3所示.

圖3 環形定子與壓電傳感器的布局圖,白色矩形框內為激光掃描區域

采用波長1053 nm的脈沖激光器激發表面波,脈沖寬度為30 ns,單脈沖能量1 mJ,光斑直徑約100μm.脈沖激光的重復頻率為3 kHz,以保證有足夠時間間隔探測每一發激光脈沖激發出的表面波的完整振動狀態.圖3中白色矩形框顯示的是激光掃描區域,激光以光柵掃描方式掃描,掃描點間隔0.2 mm,掃描點數220×250.銅環放置在消聲材料基座上,當激光掃描點落在銅環表面時,傳感器可探測到表面波信號;而當激光點掃描到銅環以外的區域時,不產生表面波信號.由于激光掃描區域涵蓋整個銅環結構,可保證整個銅環都能被掃描到,從而根據圖2(b)所示的等效處理原理,實現激光致表面波在整個銅環表面上的動態傳播過程的可視化.

壓電傳感器選用中心頻率2 MHz的表面波斜探頭,傳感器左角與凹槽陣列的最近距離約為4 mm.

實驗得到的光致表面波在環形定子上的可視化動態傳播過程視頻截圖如圖4所示.根據等效原理,當脈沖激光照射在傳感器所處的位置時(以此時刻作為初始時間),表面波分別沿順時針方向和逆時針方向在環形定子表面傳播.圖4(a)—(d)表明,沿順時針方向的表面波傳播到凹槽區域時消失,說明凹槽陣列對表面波有很好的阻擋和衰減作用,與理論分析一致;而沿逆時針方向的表面波可持續傳播;在29.6μs時,波前傳播到凹槽區域的另外一側,完成近乎整周的單向傳播,如圖4(e)所示;在39μs之后,銅環面上的表面波因阻尼振蕩而整體衰減,如圖4(f).為實現表面波的持續單向傳播,可選用適當頻率的脈沖激光持續照射環形定子.

作為對比,選用相同尺寸但無凹槽結構的銅環進行了激光致表面波的可視化實驗,實驗結果如圖5所示.根據等效原理,當脈沖激光照射在傳感器所處的位置時,有兩列光致表面波分別沿順時針和逆時針方向傳播;圖5(a)—(d)表明,這兩列表面波各自持續地向前傳播,這與圖4實驗結果明顯不同;在22.8μs時兩列波開始匯合,見圖5(d);之后出現相互混疊與串擾,如圖5(e)和(f)所示,因此在該銅環上無法獲得單向傳播的激光致表面波.這一實驗從另一側面證明,凹槽陣列結構在獲取單向傳播的激光致表面波中的關鍵作用.

需要說明的是,圖中沿順時針方向的表面波在幅值上要弱于逆時針方向的表面波,這是由于作為傳感器的斜探頭在不同方向上探測能力不同而造成的.

圖4 激光致表面波在帶有凹槽陣列結構的環形定子上單向傳播的可視化視頻截圖

圖5 激光致表面波在無凹槽結構的銅環上雙向傳播的可視化視頻截圖

4 結論

本文圍繞激光致表面波的機理及傳播特性開展了理論和實驗研究,優化設計了帶有凹槽陣列結構的環形定子,建立了激光在環形定子表面激發表面波的物理模型,給出了求解表面波幅值的方程組,并對影響表面波幅值的關鍵因素進行了分析.闡述了激光致表面波的動態可視化探測方法,利用表面波在激光照射點和傳感器探測點之間傳播的可逆關系,等效地還原出激光致表面波的傳播圖樣,從而首次實現了激光致表面波在環形定子上傳播的可視化探測.

采用這一可視化探測方法,在波長1053 nm,脈寬30 ns,單脈沖能量1 mJ的脈沖激光照射下,對表面波在銅材質的環形定子表面的傳播特性進行了實驗研究.理論與實驗研究表明:當激發光斑的位置緊鄰凹槽陣列時,沿著銅環向凹槽方向傳播的表面波會被凹槽陣列迅速衰減和吸收,而沿著銅環向遠離凹槽方向傳播的表面波能夠持續向前傳遞,據此實現了激光致表面波的單向傳播;而對沒有凹槽陣列結構的銅環進行的對比實驗表明,激光致表面波在銅環表面雙向傳播,最終因相互混疊和串擾等而處于混亂狀態.激光在該種環形定子表面激發出的單向表面波,將用于今后光致表面波馬達及驅動機構的研究當中.

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