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聚焦輻照條件對脈沖 CO2激光誘導液體氣穴通道效應的影響
（論文部分內容摘抄）
利用高速攝像技術檢測脈沖
CO2激光誘導液體氣穴通道形成、發(fā)展和坍塌的動態(tài)過程，考察不同聚焦輻照條件對氣穴效應的影響。實驗獲得了氣穴通道脈動過程的序列圖像，得到了表征氣穴通道特性的參數(shù)（如比較大穿透深度等）。實驗結果表明，不同聚焦條件對氣穴通道的動力學過程有影響。正離焦及焦點位置條件下，氣穴通道在比較大縱深時，整體形態(tài)類似于漏斗狀，而負離焦條件下，則呈 U 形。研究結果對激光醫(yī)療、激光水下加工、能源等領域的研究具有一定的參考價值。
實驗裝置：
基于高速攝像技術的激光誘導液體介質氣穴通道效應測量系統(tǒng)如圖所示。系統(tǒng)光源為脈沖 CO2激光，純水對該波長激光，穿透。激光諧振腔發(fā)出的基模輻射場，其橫截面的振幅分布遵守高斯函數(shù)，故稱高斯光束。本文采用的脈沖 CO2激光符合高斯函數(shù)分布，束腰位置光斑，能量密度比較大，隨著偏離束腰位置距離的增加，能量密度逐漸減小，且關于束腰位置對稱分布。保持激光光束位置不變，調整自由液面高度，使液面處的激光分別處于正離焦、焦點位置、負離焦這三種輻照條件下。在純水液面，當激光能量密度超過氣穴通道的產(chǎn)生閾值時，將產(chǎn)生氣穴通道。每種聚焦輻照條件下重復 8 次實驗。
實驗采用高速攝影法，利用高速攝像機記錄氣穴通道從形成到潰滅的完整過程，使用圖像處理技術處理獲得的序列圖像，可以得到表征氣穴通道特性的參數(shù)，原理相對簡單，實驗易于操作。采用的超高速攝像機為廣州市元奧儀器有限公司的（pco.dimax型號）高速相機，實驗根據(jù)相機設置及拍攝范圍調節(jié)拍攝幀數(shù)為 58465fps，圖像尺寸為 144pixel×168 pixel，曝光時間為 1 μs，相機捕捉到的圖片的橫縱坐標尺度完全相同。實驗采用透光式拍攝，照明光透過玻璃容器進入高速攝像機鏡頭，由于照明光在氣穴通道處發(fā)生折射，導致進入攝像機的光減少，使氣穴通道較暗，而氣穴通道以外的純水部分則較為明亮。
圖中黑色的部分為氣穴通道或氣泡，顏色較為明亮的背景為純水。
采用高速攝像技術對不同聚焦條件下脈沖
CO2激光誘導純水介質氣穴通道形成、發(fā)展、潰滅的動態(tài)過程進行監(jiān)測。圖像處理與數(shù)據(jù)分析結果表明，不同聚焦輻照條件下的氣穴通道形態(tài)、生長過程具有各自不同的特點，即氣穴通道的生長形態(tài)依賴于聚焦輻照條件：焦點位置及正離焦條件下的氣穴通道在比較大縱深時，整體形態(tài)類似于漏斗狀，負離焦條件下則呈 U 形。
在正離焦以及焦點位置條件下監(jiān)測到二次氣穴產(chǎn)生、發(fā)展的完整過程，說明激光能夠穿過氣穴通道作用于底部。實驗結果對激光醫(yī)療、激光水下加工、能源等領域的研究具有一定的參考價值。
德國 Excelitas PCO 公司的pco.dimax高速相機，具備高分辨率、高感光度、高幀率的優(yōu)點，將高速實驗過程完美記錄，為實驗提供強而有力的圖像數(shù)據(jù)支持。
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