一种激光等离子体流场压强的表征方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种激光等离子体流场压强的表征方法及系统，包括步骤：通过脉冲激光辐照离散颗粒堆积物表面以产生激光等离子体；调节激光参数以改变产生的激光等离子体流场压强，并捕获通过激光等离子体流场加速形成的颗粒射流；对捕获到的颗粒射流进行分析，以获取颗粒射流速度或者动能参数；根据获取的不同激光参数下对应的颗粒射流速度或者动能参数获取激光等离子体流场压强；通过颗粒射流速度表征不同激光参数下产生的激光等离子体流场压强。本发明专利技术通过颗粒射流速度直接关联到了激光等离子体流场压强，其通过测量宏观可见的颗粒射流，构建了一个方便、快捷、实时、原位表征激光烧蚀离散微颗粒堆积物时产生的激光等离子体流场压强的方法。流场压强的方法。流场压强的方法。

【技术实现步骤摘要】
一种激光等离子体流场压强的表征方法及系统


[0001]本专利技术涉及激光诱导击穿光谱技术和流场检测
，特别是涉及一种激光等离子体流场压强的表征方法。

技术介绍

[0002]激光诱导击穿光谱(LIBS)技术用于原位遥感分析野外地质材料表面的化学成分时，例如中国“祝融”号火星车搭载的光谱相机MarSCoDe(我国首台LIBS行星物质成分分析仪)执行原位土壤和岩石表面化学成分分析任务时，经常会遇到待分析物表层覆盖了一层沙尘。在此情况下，LIBS系统正式启动表面成分分析功能前，必须首先完成一个新的任务，即对待分析物表层的沙尘覆盖物(通常具有毫米级堆积厚度和微米级粒径尺寸)进行激光清除。
[0003]激光清除沙尘覆盖物的过程，涉及到了激光与离散微颗粒堆积物相互作用，主要工作原理如下：强激光脉冲辐照颗粒物表面，使被辐照到的颗粒发生熔化、蒸发，形成超高速激光等离子体流；激光等离子体流受到颗粒物表面的支撑，沿着垂直于靶面向上做高速运动；与此同时，靶面会受到激光等离子体流的反作用力，获得反冲动量，使部分表面颗粒获得到垂直于颗粒物表面向下的动量；被驱动起来垂直向下运动的颗粒开启一个挖掘过程，最终达到局部颗粒清除的目的。因此，激光清除沙尘覆盖物的效率敏感依赖于清除激光脉冲产生的激光等离子体流场压强。为了对正在野外执行任务的LIBS系统的沙尘清理效率做出实时评价并对其优化，目前急需一种快速、便捷、实时、原位表征激光烧蚀颗粒堆积物时产生的激光等离子体流场压强的方法。
[0004]当前，表征激光与坚硬固体材料相互作用时产生的激光等离子体流场压强，通常基于扭摆或者悬摆装置测量激光烧蚀过程向靶传递的冲量的方式。然而，这些方法不适用于离散微颗粒堆积物。其主要原因：微颗粒堆积物属于软物质，自身会耗散从激光烧蚀过程中获得到的反冲动量，导致不能像坚硬固体材料那样以摆角的形式呈现出来。
[0005]故此，现有的基于扭摆或者悬摆装置测量激光烧蚀过程向靶传递的冲量的方式，来表征激光与坚硬固体材料相互作用时产生的激光等离子体流场压强，不适用于离散微颗粒堆积物。

技术实现思路

[0006]本专利技术为克服上述现有的基于扭摆或者悬摆装置测量激光烧蚀过程向靶传递的冲量的方式，来表征激光与坚硬固体材料相互作用时产生的激光等离子体流场压强，不适用于离散微颗粒堆积物的问题，提供一种激光等离子体流场压强的表征方法，其基于激光驱动的颗粒射流，该方法适合方便、快捷、实时、原位的表征激光等离子体流场压强。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：
[0008]一种激光等离子体流场压强的表征方法，包括步骤：
[0009]S10.通过脉冲激光辐照离散颗粒堆积物表面以产生激光等离子体；
[0010]S20.调节激光参数以改变产生的激光等离子体流场压强，并捕获通过激光等离子体流场加速形成的颗粒射流；
[0011]S30.对捕获到的颗粒射流进行分析，以获取不同激光参数下对应的颗粒射流速度或者动能参数；
[0012]S40.根据获取的不同激光参数下对应的颗粒射流速度或者动能参数获取激光等离子体流场压强，以得到激光等离子体流场压强与颗粒射流速度存在的对应关系；
[0013]S50.通过颗粒射流速度表征不同激光参数下产生的激光等离子体流场压强。
[0014]进一步的，作为优选技术方案，步骤S20中，颗粒射流的捕获具体为：
[0015]通过高速相机捕获通过激光等离子体流场加速形成的颗粒射流。
[0016]进一步的，作为优选技术方案，步骤S30中，所述动能参数包括：
[0017]颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒在流场中感受到的平均冲击力，颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒感受到冲击力的横截面积，激光等离子体流场的平均寿命，颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒质量，颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒速度。
[0018]进一步的，作为优选技术方案，步骤S40具体包括：
[0019]根据压强公式及能量守恒定律，结合获取的不同激光参数下对应的颗粒射流速度或者动能参数，获取激光等离子体流场压强，从而得到激光等离子体流场压强与颗粒射流速度存在的对应关系。
[0020]进一步的，作为优选技术方案，
[0021]所述激光等离子体流场压强为处于激光等离子体流场中的颗粒受单位面积作用力的效果，处于激光等离子体流场中的颗粒受单位面积作用力的效果可用平均流场压强表示；
[0022]所述激光等离子体流场压强通过以下公式获取：
[0023][0024]其中：P为平均流场压强表示，F为颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒在流场中感受到的平均冲击力，A为颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒感受到冲击力的横截面积，t为激光等离子体流场的平均寿命，为颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒质量，v为颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒速度。
[0025]进一步的，作为优选技术方案，步骤S50具体包括：
[0026]采用颗粒射流速度作为可观测探针，绘制出颗粒射流速度随激光参数变化曲线，以表征不同激光参数下产生的激光等离子体流场压强。
[0027]进一步的，作为优选技术方案，所述激光参数具体包括：
[0028]激光波长、激光脉冲能量或者焦平面到离散颗粒堆积物表面距离。
[0029]进一步的，作为优选技术方案，步骤S10具体包括：
[0030]采用LIBS系统提供的聚焦脉冲激光辐照离散颗粒堆积物表面以产生激光等离子体。
[0031]进一步的，作为优选技术方案，步骤S30中的颗粒射流速度的获取具体包括：
[0032]通过影像学方法计算高速相机记录的颗粒射流顶端位置随时间的变化，从而得到颗粒射流速度。
[0033]一种激光等离子体流场压强的表征系统，包括：
[0034]LIBS系统，用于提供聚焦脉冲激光，以辐照到离散颗粒堆积物表面，通过激光烧蚀产生激光等离子体；
[0035]高速相机，用于捕获记录通过激光等离子体流场加速而形成的颗粒射流；
[0036]计算模块，利用影像学方法计算高速相机记录的颗粒射流中颗粒的位置随时间的变化，计算得到颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒速度，得到颗粒射流速度，并绘制颗粒射流速度随焦平面到颗粒表面距离的变化曲线，以表征不同焦平面到颗粒表面距离下产生的激光等离子体流场压强。
[0037]与现有技术相比，本专利技术技术方案的有益效果是：
[0038]本专利技术通过颗粒射流速度直接关联到了激光等离子体流场压强，其通过测量宏观可见的颗粒射流，构建了一个方便、快捷、实时、原位表征激光烧蚀离散微颗粒堆积物时产生的激光等离子体流场压强的方法。
附图说明
[0039]图1为本专利技术对应的激光等离子体流场压强表征方法流程示意图。
[0040]图2为本专利技术颗粒射流顶端速度随激光焦平面到离散颗粒堆积物表面距离的演化曲线。
[0041]图3为本专利技术一种激光等离子体流场压强的表征系统应用场本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光等离子体流场压强的表征方法，其特征在于，包括步骤：S10.通过脉冲激光辐照离散颗粒堆积物表面以产生激光等离子体；S20.调节激光参数以改变产生的激光等离子体流场压强，并捕获通过激光等离子体流场加速形成的颗粒射流；S30.对捕获到的颗粒射流进行分析，以获取不同激光参数下对应的颗粒射流速度或者动能参数；S40.根据获取的不同激光参数下对应的颗粒射流速度或者动能参数获取激光等离子体流场压强，以得到激光等离子体流场压强与颗粒射流速度存在的对应关系；S50.通过颗粒射流速度表征不同激光参数下产生的激光等离子体流场压强。2.根据权利要求1所述的一种激光等离子体流场压强的表征方法，其特征在于，步骤S20中，颗粒射流的捕获具体为：通过高速相机捕获通过激光等离子体流场加速形成的颗粒射流。3.根据权利要求2所述的一种激光等离子体流场压强的表征方法，其特征在于，步骤S30中，所述动能参数包括：颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒在流场中感受到的平均冲击力，颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒感受到冲击力的横截面积，激光等离子体流场的平均寿命，颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒质量，颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒速度。4.根据权利要求3所述的一种激光等离子体流场压强的表征方法，其特征在于，步骤S40具体包括：根据压强公式及能量守恒定律，结合获取的不同激光参数下对应的颗粒射流速度或者动能参数，获取激光等离子体流场压强，从而得到激光等离子体流场压强与颗粒射流速度存在的对应关系。5.根据权利要求4所述的一种激光等离子体流场压强的表征方法，其特征在于，所述激光等离子体流场压强为处于激光等离子体流场中的颗粒受单位面积作用力的效果，处于激光等离子体流场中的颗粒受单位面积作用力的效果可用平均流场压强表示；所述激光等离子体流场...

【专利技术属性】
技术研发人员：李亚举，钱东斌，周毛吉，陈良文，马新文，杨磊，张少锋，
申请(专利权)人：中国科学院近代物理研究所，
类型：发明
国别省市：