激光烧蚀靶材的冲击波成像系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了了基于彩色纹影技术对激光烧蚀靶材的冲击波成像系统及方法。本发明专利技术的系统包括亚毫秒激光器、反射镜、聚焦透镜、PET薄膜、烧蚀靶材、光电探测器、数字延时脉冲发生器、闪光源、准直镜、纹影镜、彩色胶片刀口、成像镜、滤光片、高速相机和图像采集系统；本发明专利技术激光烧蚀靶材的冲击波成像系统及方法的图像分辨率较高，对于激光烧蚀的整个过程实现了更加细致的观察，并且该系统能够拍摄到不同时刻的瞬态烧蚀状态，可以实现高速成像下的连续拍照，系统灵敏度显著著提高，整个装置结构简单，实施简单，通用性强，易于改造。

【技术实现步骤摘要】
激光烧蚀靶材的冲击波成像系统及方法
本专利技术属于激光烧蚀领域，涉及流场纹影显示技术，特别是涉及基于彩色纹影技术对激光烧蚀靶材的冲击波成像系统及方法。
技术介绍
目前国内外公开的激光烧蚀靶材的冲击波成像装置较少，最受关注的是纹影成像技术，纹影成像技术是实现了对流场分布的实验研究，将传统的理论分析上升为可观察、可测量的视觉新领域当中。在20世纪末，Callies等人用影像照相术和纹影照相术研究了准分子脉冲激光(KrF激光,λ＝248nm,半峰值全宽度FWHM为25ns)轰击金属表面时在样品周围气体中所发生的气体动力学过程。这种方法可以给出一定时刻气体动力学过程的空间图象(CalliesG,BergerP,HugelH.Time-resolvedobservationofgas-dynamicdiscontinuitiesarisingduringexcimerlaserablationandtheirinterpretation[J].JournalofPhysicsDAppliedPhysics,1999,28(4):794.)；2006DhareshwarLJ等人通过通过使用光学阴影摄影技术测量了目标箔片的移动，记录了不同时刻的光学阴影图测量了冲击波的传播时间，并且观察到了冲击波的渡越时间、速度和压力。(DhareshwarLJ,GopiN,MuraliCG,etal.Measurementoflaserdrivenshockwavetransittimethroughthinaluminiumtargetsbyopticalshadowgraphy[J].ShockWaves,2005,14(4):231-237.)；2016年，北京理工大学吴宝进行了毫秒脉冲激光烧蚀铝板的实验。采用高速纹影照相技术，观察了激光烧蚀铝板过程中冲击波演化规律以及产物溅射。根据获得纹影照片确定了铝板击穿时刻，分析了激光能量以及激光脉冲次数对烧蚀深度的影响规律(吴宝.毫秒脉冲激光烧蚀铝板实验及数值模拟计算[D].2016.)。上述文献对于激光烧蚀靶材的冲击波成像装置结构较为复杂且成像的分辨度较低，图像采集速度还有待进一步提高，对于激光烧蚀靶材的冲击波以及溅射细节观察受到了一定的限制。
技术实现思路
本专利技术的目的克服现有技术的不足，实现对激光烧蚀靶材的冲击波形式以及溅射细节的成像。为实现上述目的，本专利技术提供了一种激光烧蚀靶材的冲击波成像系统，包括：亚毫秒激光器、反射镜、聚焦透镜、PET薄膜、烧蚀靶材、光电探测器、数字延时脉冲发生器、闪光源、准直透镜、纹影透镜、彩色胶片刀口、成像透镜、滤波片、高速相机、图像采集系统；所述亚毫秒激光器发射的激光经反射镜反射，反射的激光再通过聚焦透镜聚焦于烧蚀靶材上，PET薄膜置于聚焦透镜和烧蚀靶材之间防止烧蚀靶材(5)溅射损伤聚焦透镜；所述数字延时脉冲发生器设置为外触发模式，光电探测器放置在亚毫秒激光器出光口探测出光信号，光电探测器的输出信号作为数字延时脉冲发生器触发电平，闪光源和高速相机通过信号连接线连接到数字延时脉冲发生器，数字延时脉冲发生器根据光电探测器的探测到的出光信号输出触发脉冲信号，使闪光源和高速相机与亚毫秒激光器同步工作；所述闪光源以确定频率发出光脉冲，经过准直透镜输出平行光穿过激光辐照烧蚀靶材的受作用区域，即烧蚀靶材周围的被测流场，彩色胶片刀口放置在纹影透镜焦点处，被测流场变化的光线经过纹影透镜后聚焦于彩色成像在彩色胶片刀口，光线经彩色胶片刀口后被赋予不同的颜色，而后经通过成像透镜经过滤波片成像在高速相机上，高速相机获得的图像数据经数据线输出到图像采集系统上。进一步的，所述亚毫秒激光器的脉宽566μs，激光输出能量在1J～10J，光斑能量分布为平顶分布。进一步的，所述反射镜为反射率大于94％，口径50mm，K9光学玻璃，带2个自由度调整镜架。进一步的，所述聚焦透镜为消色差光学透镜，焦距100mm，带2个自由度调整镜架。进一步的，所述闪光源采用德国HSPS公司的NANO-LITE系列频闪光源，配合NANOLITEDriver使用。进一步的，所述准直透镜为消色差光学透镜，焦距为50mm，口径50mm，K9光学玻璃，带两个自由度调整镜架。进一步的，所述纹影透镜、成像透镜为消色差光学透镜，焦距为50mm，口径50mm，K9光学玻璃，带两个自由度调整镜架。进一步的，所述彩色胶片刀口是利用Matlab在计算机上设计生成滤光片图像，然后在反转片上冲洗出来的。本专利技术还提供了一种基于上述系统的激光烧蚀靶材的冲击波成像方法，其特征是步骤如下：步骤一：调整亚毫秒激光器与反射镜和聚焦透镜在光轴上的位置，使激光光斑聚焦于烧蚀靶材中心处，将PET薄膜放在聚焦透镜和烧蚀靶材之间，防止溅射损坏聚焦透镜；步骤二：数字延时脉冲发生器设置为外触发模式，将光电探测器放置在亚毫秒激光器出光口接收受出光信号，作为数字延时脉冲发生器触发电平，将闪光源和高速相机通过信号连接线连接数字延时脉冲发生器，通过数字延时脉冲发生器触发脉冲信号使闪光源和高速相机进行同步工作状态；步骤三：调整纹影透镜、彩色胶片刀口和成像透镜位置，使彩色胶片刀口位于纹影透镜和成像透镜之间焦点处，将滤波片放置在高速相机前防止高强度光损坏高速相机。步骤四：开启亚毫秒激光器，调整不同的激光能量烧蚀靶材，利用高速相机实时拍摄激光烧蚀靶材的冲击波以及溅射图像，最后利用图像采集系统对数据进行处理。有益效果本专利技术提供一种新的基于彩色纹影技术对激光烧蚀靶材的冲击波成像系统及方法，采用彩色纹影法对激光烧蚀的冲击波和溅射的流场进行彩色成像，图像分辨率较高，对于激光烧蚀的整个过程实现了更加细致的观察，并且该系统能够拍摄到不同时刻的瞬态烧蚀状态，可以实现高速成像下的连续拍照，系统灵敏度显著提高，整个装置结构简单，实施简单，通用性强，易于改造。附图说明图1为本专利技术的激光烧蚀靶材的冲击波成像装置的原理图。图2为本专利技术的彩色纹影法的原理示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行详细的说明。彩色纹影技术是以光作为测量介质，当光束穿过有密度变化的流场区域时会发生偏转，光束偏转量的不同即可体现在流场照片的色彩上，从而实现流场密度场光学诊断的技术，彩色纹影技术所得图像与黑、白纹影法比较，具有更强的成像灵敏度和图像分辨率。激光烧蚀靶材产生的强烈的冲击波和物质溅射，会产生很大的密度梯度，所以利用彩色纹影法能够很好的观测激光烧蚀靶材产生的冲击波和物质溅射。本专利技术提供了一种基于彩色纹影法的激光烧蚀靶材的冲击波成像系统。通过彩色纹影系统实现对激光烧蚀靶材产生的冲击波及溅射流场演化过程的高分辨率成像，呈现信息量更大、更易识别的流场图像，可用于细致观察和研究激光烧蚀靶材所产生的各种效应。如图1所示，本专利技术的基于彩色纹影技术对激光烧蚀靶材的冲击波成像系统，主要包括：激光烧蚀组件、彩色纹影成像组件和时序控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光烧蚀靶材的冲击波成像系统，其特征在于包括：/n亚毫秒激光器(1)、反射镜(2)、聚焦透镜(3)、PET薄膜(4)、烧蚀靶材(5)、光电探测器(6)、数字延时脉冲发生器(7)、闪光源(8)、准直透镜(9)、纹影透镜(10)、彩色胶片刀口(11)、成像透镜(12)、滤波片(13)、高速相机(14)、图像采集系统(15)；/n所述亚毫秒激光器(1)发射的激光经反射镜(2)反射，反射的激光再通过聚焦透镜(3)聚焦于烧蚀靶材(5)上，PET薄膜(4)置于聚焦透镜(3)和烧蚀靶材(5)之间防止烧蚀靶材(5)溅射损伤聚焦透镜(3)；/n所述数字延时脉冲发生器(7)设置为外触发模式，光电探测器(6)放置在亚毫秒激光器(1)出光口探测出光信号，光电探测器(6)的输出信号作为数字延时脉冲发生器(7)触发电平，闪光源(8)和高速相机(14)通过信号连接线连接到数字延时脉冲发生器(7)，数字延时脉冲发生器(7)根据光电探测器(6)的探测到的出光信号输出触发脉冲信号，使闪光源(8)和高速相机(14)与亚毫秒激光器(1)同步工作；/n所述闪光源(8)以确定频率发出光脉冲，经过准直透镜(9)输出平行光穿过激光辐照烧蚀靶材(5)的受作用区域，即烧蚀靶材(5)周围的被测流场，彩色胶片刀口(11)放置在纹影透镜(10)焦点处，被测流场变化的光线经过纹影透镜(10)后聚焦于彩色成像在彩色胶片刀口(11)，光线经彩色胶片刀口后被赋予不同的颜色，而后经通过成像透镜(12)经过滤波片(13)成像在高速相机(14)上，高速相机(14)获得的图像数据经数据线输出到图像采集系统(15)上。/n...

【技术特征摘要】
1.一种激光烧蚀靶材的冲击波成像系统，其特征在于包括：
亚毫秒激光器(1)、反射镜(2)、聚焦透镜(3)、PET薄膜(4)、烧蚀靶材(5)、光电探测器(6)、数字延时脉冲发生器(7)、闪光源(8)、准直透镜(9)、纹影透镜(10)、彩色胶片刀口(11)、成像透镜(12)、滤波片(13)、高速相机(14)、图像采集系统(15)；
所述亚毫秒激光器(1)发射的激光经反射镜(2)反射，反射的激光再通过聚焦透镜(3)聚焦于烧蚀靶材(5)上，PET薄膜(4)置于聚焦透镜(3)和烧蚀靶材(5)之间防止烧蚀靶材(5)溅射损伤聚焦透镜(3)；
所述数字延时脉冲发生器(7)设置为外触发模式，光电探测器(6)放置在亚毫秒激光器(1)出光口探测出光信号，光电探测器(6)的输出信号作为数字延时脉冲发生器(7)触发电平，闪光源(8)和高速相机(14)通过信号连接线连接到数字延时脉冲发生器(7)，数字延时脉冲发生器(7)根据光电探测器(6)的探测到的出光信号输出触发脉冲信号，使闪光源(8)和高速相机(14)与亚毫秒激光器(1)同步工作；
所述闪光源(8)以确定频率发出光脉冲，经过准直透镜(9)输出平行光穿过激光辐照烧蚀靶材(5)的受作用区域，即烧蚀靶材(5)周围的被测流场，彩色胶片刀口(11)放置在纹影透镜(10)焦点处，被测流场变化的光线经过纹影透镜(10)后聚焦于彩色成像在彩色胶片刀口(11)，光线经彩色胶片刀口后被赋予不同的颜色，而后经通过成像透镜(12)经过滤波片(13)成像在高速相机(14)上，高速相机(14)获得的图像数据经数据线输出到图像采集系统(15)上。


2.如权利要求1所述的激光烧蚀靶材的冲击波成像系统，其特征在于所述亚毫秒激光器(1)的脉宽566μs，激光输出能量在1J～10J，光斑能量分布为平顶分布。


3.如权利要求1所述的激光烧蚀靶材的冲击波成像系统，其特征在于所述反射镜(2)为反射率大于94％，口径50mm，K9光学玻璃，带2个自由度调整镜架。


4.如权利要求1所述的激光烧蚀靶材的冲击波成像系统，其特征在于所述聚焦透镜(3)为消色差光学透镜，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李兰，叶继飞，姚猛，高贺岩，王莹，李赛，王殿恺，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学，
类型：发明
国别省市：北京;11