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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（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如圖所示。系統光源為脈沖 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，故稱高斯光束。本文采用的脈沖 CO2激光符合高斯函數分布，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生閾值時，將產生氣穴通道。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，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，實驗根據相機設置及拍攝范圍調節(jié)拍攝幀數為 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。圖像處理與數據分析結果表明，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據支持。
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