激光燒蝕羽流光學成像效果研究

劉克非，洪延姬，葉繼飛

(1.裝備學院 激光推進及其應用國家重點實驗室,北京 101416；2.中國空氣動力研究發展中心 超高速空氣動力研究所高超聲速沖壓發動機技術重點實驗室，四川 綿陽 621000)

激光燒蝕羽流光學成像效果研究

劉克非1，洪延姬1，葉繼飛2

(1.裝備學院 激光推進及其應用國家重點實驗室,北京 101416；2.中國空氣動力研究發展中心 超高速空氣動力研究所高超聲速沖壓發動機技術重點實驗室，四川 綿陽 621000)

摘要：使用YAG脈沖激光燒蝕固態POM聚合物和摻碳質量分數為5%的液態甘油混合物，形成羽流場. 分別在相機鏡頭前添加濾光片以及在紋影系統中設置不同的刀口，觀察對羽流場像的影響. 實驗結果表明：濾光片和暗場紋影均能夠提高羽流紋影圖像的顯示效果.

關鍵詞：紋影技術；激光燒蝕羽流；暗場紋影；濾光片

1引言

在航天應用領域，激光微推進是一種嶄新的小衛星推進技術，利用星載的激光微推力器能夠執行小衛星變軌、調姿的空間任務[1]. 羽流是指激光微推進系統發動機噴射出來的形似羽毛的噴流，羽流隨時間向外膨脹，直至脫離靶材表面[2-3]，這一過程中羽流噴射對小衛星形成力學效應，從而驅使小衛星運動. 但激光和物質間相互作用是一個復雜的過程，與激光的脈沖時間尺度、功率密度、頻率和材料特性以及環境因素等有密切關系[4]，所產生的羽流也不盡相同，采用合適的流場觀測方法實現對羽流的測量非常必要，通常人們采用紋影技術，通過實驗測量的方法對羽流進行觀測[5]. 本文主要的研究目的是提高紋影圖像顯示效果，研究的手段是添加濾光片和改變紋影刀口形狀，對實驗效果進行對比分析，總結能夠優化顯示效果的方法. 研究的工程意義在于探索了光學顯示優化方法，同時獲得更多羽流數據，為激光推進小衛星的設計提供依據.

2紋影技術原理

紋影技術是一種非接觸式的流動顯示方法，成像原理是利用紋影系統將光線通過氣流擾動區后引起的不同方向的偏折光區分開，將產生的光源像位移用紋影刀口擋掉部分，以改變成像面上的照度，使擾動區折射率的變化呈現為成像面上明暗變化的紋影圖像[6]，如圖1所示. 由紋影顯示原理可知，紋影圖像上各點光強的相對變化反映的是流場中對應點密度梯度的變化，即圖像上的各點的對比度的增加和減少與流場中對應點的密度梯度成正比.

圖1　紋影顯示原理示意圖

使用紋影技術測量時不會對流場形成干擾，所以是一種比較理想的觀測方法，被廣泛應用于流動顯示領域. 紋影技術拍攝的羽流場照片可直接用于定性的觀察，在精度要求不高的情況下，能夠進行簡單的分析與處理，實現對羽流特性的定量測量. 拍攝得到的紋影圖像，一般處理的原則是：既要使處理的圖像清晰，圖像質量有所提高，又要保證處理后的圖像和原圖像相比不失真.

3實驗裝置與系統設置

在室溫大氣環境中進行激光燒蝕羽流觀測實驗，選用固態POM聚合物和摻碳質量分數為5%的甘油混合溶液作為靶材. 實驗系統主要裝置有：YAG激光器、高速相機、DG645脈沖信號發生器、能量計、閃光儀、光學鏡面(凸透鏡、分光鏡、平面反射鏡)、附加光學器件. 實驗系統見圖2.

圖2　實驗系統設置

實驗裝置的具體參量如下：

1)激光加載裝置使用YAG激光器，脈沖激光波長為1 064 nm，脈寬10 ns；脈沖激光能量可調，最大能量為350 mJ，重復頻率為1~10 Hz；

2)高速相機由PHANTON公司生產，其拍攝曝光時間為1 μs，每幀間隔最小可達1 μs，圖像分辨率最高為1 280×1 024；

3)閃光儀為德國HSPS公司(High Speed Photo System)的NANOLITE系列頻閃光源，配合NANOLITE Driver使用，單脈沖能量可達25 mJ，脈沖持續時間20 ns，并可受同步器控制；

4)DG645信號發生器用來同步所有實驗設備，其設置好固定延遲時間，然后通過4個通道輸出信號，先后觸發儀器設備.

4實驗結果與分析

利用DG645信號發生器設計好激光器泵浦開關、Q開關、閃光儀、高速相機依次觸發時間. 實驗前通過調節激光器電壓值來控制激光脈沖輸出能量，將脈沖能量調整為100 mJ(下面實驗均采用100 mJ脈沖能量)，上下浮動2 mJ. YAG激光器發出激光，經過分光鏡將激光分成2束，一束用來測量激光能量，另一束通過光路轉折后聚焦于靶材表面，燒蝕靶材產生噴射羽流. 閃光儀產生光束，通過聚焦鏡后光束變成平行光束穿過羽流場攜帶出信息，經過成像透鏡調整成像狀態，最后進入高速相機在相機底片上形成紋影圖像.

4.1　濾光片對羽流成像效果的影響

濾光片是在塑料或玻璃基材中加入特種染料或在其表面蒸鍍光學膜制成，對不同的波長光具有選擇通過的功能，其主要的用途是用以衰減(或吸收)光強[7]. 實驗采用的吸收性濾光片(長波通玻璃濾色片)，是一種帶通濾光片，在短波區域(截止帶)有著很低的透射，在長波區域(通帶)的透射率很高，能夠減弱羽流紋影圖像的背景亮度，改善羽流紋影圖像的成像效果.

激光燒蝕POM工質實驗時，經閃光源發出的準直光線通過流場后攜帶羽流信息，若不經過刀口切割和濾光片處理，直接使用高速相機進行拍攝，由于背景光太強致使相機底片過度曝光，從而羽流圖像背景一片白無法從中讀取任何有效信息，如圖3(a)所示. 在相機鏡頭前添加濾光片，用相同的條件進行實驗. 在20 μs時刻時間凍結羽流圖像中，能夠看到POM靶材表面有大量的黑色噴射物，這其實是由激光燒蝕產生的POM碎片和靶蒸汽(激光致使靶材高溫氣化)所形成的區域，可見濾光片能夠均勻地減弱背景光和流場像的強度，致使羽流場內部噴射物質能夠被觀測得到，如圖3(b)所示.

(a)無濾光片　　　　　(b)有濾光片圖3　20 μs時刻閃光源曝光后成像圖像對比分析

吸收性濾光片可以很好地減弱進入相機底片的背景光，因而能夠完整拍攝羽流膨脹演化的全部過程，如圖4所示. 在燒蝕的初始階段會產生等離子體和高溫靶蒸汽并伴隨有強烈的自發光現象，實驗發現，燒蝕POM產生的等離子體會發出強烈的光，之后隨著等離子體的湮滅，發光現象逐漸衰減消失. 添加濾光片后，發現在3 μs時刻，如圖4(b)所示，等離子體發光強度已經衰減到能夠被濾掉，此時可以觀測到羽流內部結構、形狀，發現反噴碎片形成半球形區域，在半球表面碎片呈現放射狀，羽流外沿形成球狀激波.

(a)0 μs　　　(b)3 μs　　　(c)15 μs　　　(d)30 μs　　　(e)50 μs　　　(f)80 μs　　　(g)100 μs圖4　添加濾光片后羽流演化成像效果圖

使用濾光片后有利于羽流分布和演化的觀測，但是濾光片增強信噪比能力有限，在減弱背景噪聲的同時也會減弱流場像的光強，從而使得能夠獲取的流場信息減少，所以添加濾光片并不是非常理想的提高羽流場成像效果的方法.

4.2　基于暗場紋影技術的羽流成像效果研究

刀口是紋影系統中重要的部件，通常將刀口置于光軸的垂直面上，對光源的像形成切割，使得對流場的變化反應更加靈敏. 在陰影系統中添加刀口也能對光源的像形成切割，切割后的像在背景區域會形成暗場，使用該方法得到紋影圖像通常稱為暗場紋影. 暗場紋影最大的優勢在于能夠更加清晰地顯示流場的細節，也能夠選擇性地暗化所選背景區域來增強信噪比，增加羽流場與背景亮度的對比，使之能夠更容易從中讀取信息.

暗場紋影的原理主要是利用光線在不同密度介質中的偏折，當光線經過非擾動的區域時不發生偏折，直線傳播的光線會被刀口障礙擋住，從而在像面上形成暗場；而擾動使得流場密度梯度產生變化，光線經過有擾動的流場區域時會發生偏折，當偏折的光線繞過刀口障礙時能夠在像面上共軛成像，而羽流是有擾動的流場，因此能夠在光源像里面得到清晰的羽流場的像，暗場紋影的成像原理如圖5所示.

圖5　暗場紋影成像原理示意圖

暗場紋影的效果優劣主要取決于暗場與羽流場之間的對比度，羽流場成像越清晰的暗場紋影效果越好. 暗場紋影中暗場區的形狀、大小、明暗程度與刀口樣式、切割方向、切割量有著密切關系. 本文通過實驗，嘗試使用3種常用的刀口來驗證暗場紋影的效果，使用的刀口樣式見表1.

表1　實驗時使用的紋影刀口

實驗使用YAG脈沖激光燒蝕固態POM聚合物和不同摻碳比液態甘油混合物，在紋影系統中設置不同的刀口，從得到紋影圖像中分析羽流場所成的像，研究采用不同刀口時暗場紋影的成像效果. 采用CCD高速相機所拍攝的暗場紋影照片如圖6~8所示. 實驗使用的刀口尺寸和規格一般是與焦平面上流場像的大小相一致，確保刀口能夠切割到流場像的某一部分. 采用單刃刀口切割光線，研究討論不同切割量對紋影圖像的影響.

圖6是在相同實驗條件下，單刀口不同切割量時所拍攝的暗場紋影照片. 圖6(a)~(c)的刀口切割量依次增加.

(a)未添加刀口　　　　(b)刀口切割一半的像

(c)刀口切割約全部的像圖6　單刃刀口不同切割量下羽流紋影圖像(t=10 μs)

圖6(a)是刀口未切割光線時的紋影照片，因背景光噪聲太強而無法讀取羽流場信息. 在此基礎上逐漸增大刀口的切割量，圖6(b)中單刃刀口切割大約一半的流場像，在成像面上形成了明暗各占半邊的暗場紋影圖像，右半暗場呈半圓形，暗場亮度與羽流場亮度對比明顯，能夠清晰反映出羽流場內蒸汽、噴射粒子、激波；左半邊背景光強被減弱，依稀能夠看到激波的形狀，但背景與羽流場對比不明顯，羽流場內部信息無法從圖像里讀出. 進一步增加刀口的切割量直到紋影圖像背景全黑，如圖6(c)所示，此時霧狀的靶蒸汽和黑色較大的靶碎片都能從暗場紋影圖像中觀測到，但此時暗場的顯示效果不如圖6(b). 分析羽流場，可以看到蒸汽的膨脹并不是規則的球形，沿著激光入射方向的膨脹擴散會比較快，靶碎片間夾雜著發光等離子體.

使用雙刃刀口切割光線，2條刃邊都切在流場像上，刀口兩刃之間只留有狹小的縫隙可以通光，從而能夠阻礙大部分未發生偏折光線通過刀口在相機底片上成像，如圖7所示. 對比圖7(a)和(b)可以發現，圖7(a)中不使用刀口時拍攝所得到的照片由于背景噪聲太強，無法從拍攝的照片中得到有用的羽流場信息；從圖7(b)可以發現，當添加雙刃刀口進行切割后，得到的暗場紋影照片上會形成2個對稱的半圓形暗場，大約刀口縫隙寬度的背景光能夠投射在相機底片上，因此在對稱的半圓形暗場中間夾著一道亮線；在照片的中間區域能夠觀測到清晰完整的弓形激波和羽流場內部噴射狀的燒蝕產物.

(a)未添加刀口　　　　　(b)添加雙刃刀口圖7　雙刃刀口羽流紋影圖像(t=15 μs)

使用圓面/板狀刀口切割光線時，小球擋在流場像的中心處，只有經過刀口周邊的光線能夠進入相機底片，此時大部分未經擾動流場偏折的光線經過刀口時被切割. 如圖8所示，使用激光燒蝕摻碳質量分數為5%的甘油混合物，圖8(a)是不添加刀口所拍攝的紋影照片，從中只能觀測到甘油液滴有濺射情況；圖8(b)是在流場像處添加球狀刀口后拍攝的紋影照片，發現此時紋影圖像中間形成圓形的暗場，暗場周邊有一道亮光圈，暗場中央羽流場的像清晰，非常易于觀測分析.

(a)未添加刀口　　　　(b)添加圓面/板狀刀口圖8　圓面/板狀刀口羽流紋影圖像(t=30 μs)

對暗場紋影成像效果進行研究，目的是提高羽流顯示精度，用來分析激光與物質相互作用所形成的噴射羽流結構、膨脹速度、等離子體分布等性能參量.

5結論

通過實驗驗證了濾光片和暗場紋影均能提高羽流場光學成像效果，為后期羽流特性的分析提供了測量技術手段. 實驗發現，濾光片能夠有效地減弱背景光強度和等離子體發光，使得燒蝕羽流內部密度較大的靶碎片、靶蒸汽、等離子體等物質能夠被觀測到，但激波陣面信息通過濾光片后被明顯削弱，濾光片的添加會影響最后圖像上的羽流信息，根據研究的內容可以選擇是否添加濾光片. 在陰影系統中添加紋影刀口，通過CCD高速相機能夠拍攝得到暗場紋影照片. 添加不同形狀刀口對光線進行切割時，可以使紋影圖像中出現暗場，能夠提高羽流場與背景的對比度，從而使得羽流信息便于讀取和分析. 暗場紋影不會影響羽流場信息， 是一種非常理想的減弱光學背景噪

聲的方法，且暗場紋影測量原理和系統布局簡單，拍攝的圖像清晰而便于分析，有著較好工程應用前景. 激光燒蝕羽流顯示效果的提高，能夠為研究者們提供更多的羽流場信息，為后期羽流特性的分析提供了測量技術手段，為激光微推進器的設計和應用提供了依據.

參考文獻：

[1]洪延姬,金星,崔村燕,等. 先進航天推進技術[M]. 北京:國防工業出版社,2012:19-54.

[2]Boyd L D, Keidar M. Simulation of the plume generated by a micro laser-ablation plasma thruster [J]. Proc. SPIE, 2002,4760:852-866.

[3]Keidar M, Boyd L D. Plasma generation and plume expansion for a transmission-mode microlaser ablation plasma thruster [J]. Applied Physics, 2004,96(1):49-56.

[4]茆軍兵,李洋,程黎鹿,等. 激光燒蝕推進的研究現狀及進展[J]. 中國科技信息,2008,4(4):272-274.

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[責任編輯：任德香]

Research on the optical imaging of laser ablation plume

LIU Ke-fei1, HONG Yan-ji1, YE Ji-fei2

(1. State Key Laboratory of Laser Propulsion & Application, Equipment Academy, Beijing 101416, China；

2. Science and Technology on Scramjet Laboratory,

Hypervelocity Aerodynamics Institute of CARDC, Mianyang 621000, China)

Abstract:The plume flow field was made using YAG pulse laser ablation of solid POM polymer and carbon doped glycerin liquid mixture (5% mass fraction). By adding filter in front of the camera lens and setting different incision in the schlieren system, respectively, the influence of the plume flow field was observed. The experimental results showed that the filter and dark field schlieren could improve the display effect of the schlieren image.

Key words:schlieren technique; laser ablation plume; dark field schlieren; filter

中圖分類號：O439

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2015)03-0010-05

作者簡介：劉克非(1987-)，男，湖南衡陽人,北京裝備學院激光推進及其應用國家重點實驗室碩士研究生，主要研究方向為航天推進技術與應用.

收稿日期：2014-09-01；修改日期：2014-12-23