激光烧蚀羽流光学成像效果研究

刘克非，洪延姬，叶继飞

(1.装备学院 激光推进及其应用国家重点实验室,北京 101416；2.中国空气动力研究发展中心 超高速空气动力研究所高超声速冲压发动机技术重点实验室，四川 绵阳 621000)

激光烧蚀羽流光学成像效果研究

刘克非1，洪延姬1，叶继飞2

(1.装备学院 激光推进及其应用国家重点实验室,北京 101416；2.中国空气动力研究发展中心 超高速空气动力研究所高超声速冲压发动机技术重点实验室，四川 绵阳 621000)

摘要：使用YAG脉冲激光烧蚀固态POM聚合物和掺碳质量分数为5%的液态甘油混合物，形成羽流场. 分别在相机镜头前添加滤光片以及在纹影系统中设置不同的刀口，观察对羽流场像的影响. 实验结果表明：滤光片和暗场纹影均能够提高羽流纹影图像的显示效果.

关键词：纹影技术；激光烧蚀羽流；暗场纹影；滤光片

1引言

在航天应用领域，激光微推进是一种崭新的小卫星推进技术，利用星载的激光微推力器能够执行小卫星变轨、调姿的空间任务[1]. 羽流是指激光微推进系统发动机喷射出来的形似羽毛的喷流，羽流随时间向外膨胀，直至脱离靶材表面[2-3]，这一过程中羽流喷射对小卫星形成力学效应，从而驱使小卫星运动. 但激光和物质间相互作用是一个复杂的过程，与激光的脉冲时间尺度、功率密度、频率和材料特性以及环境因素等有密切关系[4]，所产生的羽流也不尽相同，采用合适的流场观测方法实现对羽流的测量非常必要，通常人们采用纹影技术，通过实验测量的方法对羽流进行观测[5]. 本文主要的研究目的是提高纹影图像显示效果，研究的手段是添加滤光片和改变纹影刀口形状，对实验效果进行对比分析，总结能够优化显示效果的方法. 研究的工程意义在于探索了光学显示优化方法，同时获得更多羽流数据，为激光推进小卫星的设计提供依据.

2纹影技术原理

纹影技术是一种非接触式的流动显示方法，成像原理是利用纹影系统将光线通过气流扰动区后引起的不同方向的偏折光区分开，将产生的光源像位移用纹影刀口挡掉部分，以改变成像面上的照度，使扰动区折射率的变化呈现为成像面上明暗变化的纹影图像[6]，如图1所示. 由纹影显示原理可知，纹影图像上各点光强的相对变化反映的是流场中对应点密度梯度的变化，即图像上的各点的对比度的增加和减少与流场中对应点的密度梯度成正比.

图1　纹影显示原理示意图

使用纹影技术测量时不会对流场形成干扰，所以是一种比较理想的观测方法，被广泛应用于流动显示领域. 纹影技术拍摄的羽流场照片可直接用于定性的观察，在精度要求不高的情况下，能够进行简单的分析与处理，实现对羽流特性的定量测量. 拍摄得到的纹影图像，一般处理的原则是：既要使处理的图像清晰，图像质量有所提高，又要保证处理后的图像和原图像相比不失真.

3实验装置与系统设置

在室温大气环境中进行激光烧蚀羽流观测实验，选用固态POM聚合物和掺碳质量分数为5%的甘油混合溶液作为靶材. 实验系统主要装置有：YAG激光器、高速相机、DG645脉冲信号发生器、能量计、闪光仪、光学镜面(凸透镜、分光镜、平面反射镜)、附加光学器件. 实验系统见图2.

图2　实验系统设置

实验装置的具体参量如下：

1)激光加载装置使用YAG激光器，脉冲激光波长为1 064 nm，脉宽10 ns；脉冲激光能量可调，最大能量为350 mJ，重复频率为1~10 Hz；

2)高速相机由PHANTON公司生产，其拍摄曝光时间为1 μs，每帧间隔最小可达1 μs，图像分辨率最高为1 280×1 024；

3)闪光仪为德国HSPS公司(High Speed Photo System)的NANOLITE系列频闪光源，配合NANOLITE Driver使用，单脉冲能量可达25 mJ，脉冲持续时间20 ns，并可受同步器控制；

4)DG645信号发生器用来同步所有实验设备，其设置好固定延迟时间，然后通过4个通道输出信号，先后触发仪器设备.

4实验结果与分析

利用DG645信号发生器设计好激光器泵浦开关、Q开关、闪光仪、高速相机依次触发时间. 实验前通过调节激光器电压值来控制激光脉冲输出能量，将脉冲能量调整为100 mJ(下面实验均采用100 mJ脉冲能量)，上下浮动2 mJ. YAG激光器发出激光，经过分光镜将激光分成2束，一束用来测量激光能量，另一束通过光路转折后聚焦于靶材表面，烧蚀靶材产生喷射羽流. 闪光仪产生光束，通过聚焦镜后光束变成平行光束穿过羽流场携带出信息，经过成像透镜调整成像状态，最后进入高速相机在相机底片上形成纹影图像.

4.1　滤光片对羽流成像效果的影响

滤光片是在塑料或玻璃基材中加入特种染料或在其表面蒸镀光学膜制成，对不同的波长光具有选择通过的功能，其主要的用途是用以衰减(或吸收)光强[7]. 实验采用的吸收性滤光片(长波通玻璃滤色片)，是一种带通滤光片，在短波区域(截止带)有着很低的透射，在长波区域(通带)的透射率很高，能够减弱羽流纹影图像的背景亮度，改善羽流纹影图像的成像效果.

激光烧蚀POM工质实验时，经闪光源发出的准直光线通过流场后携带羽流信息，若不经过刀口切割和滤光片处理，直接使用高速相机进行拍摄，由于背景光太强致使相机底片过度曝光，从而羽流图像背景一片白无法从中读取任何有效信息，如图3(a)所示. 在相机镜头前添加滤光片，用相同的条件进行实验. 在20 μs时刻时间冻结羽流图像中，能够看到POM靶材表面有大量的黑色喷射物，这其实是由激光烧蚀产生的POM碎片和靶蒸汽(激光致使靶材高温气化)所形成的区域，可见滤光片能够均匀地减弱背景光和流场像的强度，致使羽流场内部喷射物质能够被观测得到，如图3(b)所示.

(a)无滤光片　　　　　(b)有滤光片图3　20 μs时刻闪光源曝光后成像图像对比分析

吸收性滤光片可以很好地减弱进入相机底片的背景光，因而能够完整拍摄羽流膨胀演化的全部过程，如图4所示. 在烧蚀的初始阶段会产生等离子体和高温靶蒸汽并伴随有强烈的自发光现象，实验发现，烧蚀POM产生的等离子体会发出强烈的光，之后随着等离子体的湮灭，发光现象逐渐衰减消失. 添加滤光片后，发现在3 μs时刻，如图4(b)所示，等离子体发光强度已经衰减到能够被滤掉，此时可以观测到羽流内部结构、形状，发现反喷碎片形成半球形区域，在半球表面碎片呈现放射状，羽流外沿形成球状激波.

(a)0 μs　　　(b)3 μs　　　(c)15 μs　　　(d)30 μs　　　(e)50 μs　　　(f)80 μs　　　(g)100 μs图4　添加滤光片后羽流演化成像效果图

使用滤光片后有利于羽流分布和演化的观测，但是滤光片增强信噪比能力有限，在减弱背景噪声的同时也会减弱流场像的光强，从而使得能够获取的流场信息减少，所以添加滤光片并不是非常理想的提高羽流场成像效果的方法.

4.2　基于暗场纹影技术的羽流成像效果研究

刀口是纹影系统中重要的部件，通常将刀口置于光轴的垂直面上，对光源的像形成切割，使得对流场的变化反应更加灵敏. 在阴影系统中添加刀口也能对光源的像形成切割，切割后的像在背景区域会形成暗场，使用该方法得到纹影图像通常称为暗场纹影. 暗场纹影最大的优势在于能够更加清晰地显示流场的细节，也能够选择性地暗化所选背景区域来增强信噪比，增加羽流场与背景亮度的对比，使之能够更容易从中读取信息.

暗场纹影的原理主要是利用光线在不同密度介质中的偏折，当光线经过非扰动的区域时不发生偏折，直线传播的光线会被刀口障碍挡住，从而在像面上形成暗场；而扰动使得流场密度梯度产生变化，光线经过有扰动的流场区域时会发生偏折，当偏折的光线绕过刀口障碍时能够在像面上共轭成像，而羽流是有扰动的流场，因此能够在光源像里面得到清晰的羽流场的像，暗场纹影的成像原理如图5所示.

图5　暗场纹影成像原理示意图

暗场纹影的效果优劣主要取决于暗场与羽流场之间的对比度，羽流场成像越清晰的暗场纹影效果越好. 暗场纹影中暗场区的形状、大小、明暗程度与刀口样式、切割方向、切割量有着密切关系. 本文通过实验，尝试使用3种常用的刀口来验证暗场纹影的效果，使用的刀口样式见表1.

表1　实验时使用的纹影刀口

实验使用YAG脉冲激光烧蚀固态POM聚合物和不同掺碳比液态甘油混合物，在纹影系统中设置不同的刀口，从得到纹影图像中分析羽流场所成的像，研究采用不同刀口时暗场纹影的成像效果. 采用CCD高速相机所拍摄的暗场纹影照片如图6~8所示. 实验使用的刀口尺寸和规格一般是与焦平面上流场像的大小相一致，确保刀口能够切割到流场像的某一部分. 采用单刃刀口切割光线，研究讨论不同切割量对纹影图像的影响.

图6是在相同实验条件下，单刀口不同切割量时所拍摄的暗场纹影照片. 图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)刀口切割约全部的像图6　单刃刀口不同切割量下羽流纹影图像(t=10 μs)

图6(a)是刀口未切割光线时的纹影照片，因背景光噪声太强而无法读取羽流场信息. 在此基础上逐渐增大刀口的切割量，图6(b)中单刃刀口切割大约一半的流场像，在成像面上形成了明暗各占半边的暗场纹影图像，右半暗场呈半圆形，暗场亮度与羽流场亮度对比明显，能够清晰反映出羽流场内蒸汽、喷射粒子、激波；左半边背景光强被减弱，依稀能够看到激波的形状，但背景与羽流场对比不明显，羽流场内部信息无法从图像里读出. 进一步增加刀口的切割量直到纹影图像背景全黑，如图6(c)所示，此时雾状的靶蒸汽和黑色较大的靶碎片都能从暗场纹影图像中观测到，但此时暗场的显示效果不如图6(b). 分析羽流场，可以看到蒸汽的膨胀并不是规则的球形，沿着激光入射方向的膨胀扩散会比较快，靶碎片间夹杂着发光等离子体.

使用双刃刀口切割光线，2条刃边都切在流场像上，刀口两刃之间只留有狭小的缝隙可以通光，从而能够阻碍大部分未发生偏折光线通过刀口在相机底片上成像，如图7所示. 对比图7(a)和(b)可以发现，图7(a)中不使用刀口时拍摄所得到的照片由于背景噪声太强，无法从拍摄的照片中得到有用的羽流场信息；从图7(b)可以发现，当添加双刃刀口进行切割后，得到的暗场纹影照片上会形成2个对称的半圆形暗场，大约刀口缝隙宽度的背景光能够投射在相机底片上，因此在对称的半圆形暗场中间夹着一道亮线；在照片的中间区域能够观测到清晰完整的弓形激波和羽流场内部喷射状的烧蚀产物.

(a)未添加刀口　　　　　(b)添加双刃刀口图7　双刃刀口羽流纹影图像(t=15 μs)

使用圆面/板状刀口切割光线时，小球挡在流场像的中心处，只有经过刀口周边的光线能够进入相机底片，此时大部分未经扰动流场偏折的光线经过刀口时被切割. 如图8所示，使用激光烧蚀掺碳质量分数为5%的甘油混合物，图8(a)是不添加刀口所拍摄的纹影照片，从中只能观测到甘油液滴有溅射情况；图8(b)是在流场像处添加球状刀口后拍摄的纹影照片，发现此时纹影图像中间形成圆形的暗场，暗场周边有一道亮光圈，暗场中央羽流场的像清晰，非常易于观测分析.

(a)未添加刀口　　　　(b)添加圆面/板状刀口图8　圆面/板状刀口羽流纹影图像(t=30 μs)

对暗场纹影成像效果进行研究，目的是提高羽流显示精度，用来分析激光与物质相互作用所形成的喷射羽流结构、膨胀速度、等离子体分布等性能参量.

5结论

通过实验验证了滤光片和暗场纹影均能提高羽流场光学成像效果，为后期羽流特性的分析提供了测量技术手段. 实验发现，滤光片能够有效地减弱背景光强度和等离子体发光，使得烧蚀羽流内部密度较大的靶碎片、靶蒸汽、等离子体等物质能够被观测到，但激波阵面信息通过滤光片后被明显削弱，滤光片的添加会影响最后图像上的羽流信息，根据研究的内容可以选择是否添加滤光片. 在阴影系统中添加纹影刀口，通过CCD高速相机能够拍摄得到暗场纹影照片. 添加不同形状刀口对光线进行切割时，可以使纹影图像中出现暗场，能够提高羽流场与背景的对比度，从而使得羽流信息便于读取和分析. 暗场纹影不会影响羽流场信息， 是一种非常理想的减弱光学背景噪

声的方法，且暗场纹影测量原理和系统布局简单，拍摄的图像清晰而便于分析，有着较好工程应用前景. 激光烧蚀羽流显示效果的提高，能够为研究者们提供更多的羽流场信息，为后期羽流特性的分析提供了测量技术手段，为激光微推进器的设计和应用提供了依据.

参考文献：

[1]洪延姬,金星,崔村燕,等. 先进航天推进技术[M]. 北京:国防工业出版社,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]茆军兵,李洋,程黎鹿,等. 激光烧蚀推进的研究现状及进展[J]. 中国科技信息,2008,4(4):272-274.

[5]叶继飞. 靶特性对激光微烧蚀力学性能的影响研究[D]. 北京:装备学院,2011.

[6]吴涛,王新兵,王世芳,等. 基于纹影法的脉冲CO2激光Sn等离子体羽辉膨胀特性研究[J]. 中国激光,2013,40(1):1-5.

[7]汪洋,王小坤,陈安森,等. 红外滤光片低温光谱特性研究[J]. 光学与光电技术,2013,11(6):29-32.

[责任编辑：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

中图分类号：O439

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2015)03-0010-05

作者简介：刘克非(1987-)，男，湖南衡阳人,北京装备学院激光推进及其应用国家重点实验室硕士研究生，主要研究方向为航天推进技术与应用.

收稿日期：2014-09-01；修改日期：2014-12-23