激光诱导击穿等离子体声波特性的研究

王浩楠，徐送宁，李 倩，韩艳丽，宁日波

(沈阳理工大学 理学院，沈阳 110159)

激光诱导击穿声波是激光诱导等离子体快速膨胀时产生的弱扰动(机械振动)在介质内部的传播，是激光与物质相互作用结果中的声学现象。理论上影响激光诱导击穿声波的主要因素有两个：一是激光的特性参数，如激光的波长、强度(激光的功率、能量、脉宽、方向、作用面积、作用体积等)，在能够击穿样品的条件下只改变激光能量时(脉宽等不变)，激光诱导击穿声波的能量与激光能量有关，在均匀介质中，激光的传播方向影响其击穿声波强度的空间分布特性；二是物质的特性参数，如介质的温度、密度、比热容、弹性模量、压强、压缩系数等，在作用激光能量相同时，不同材料表面产生的激光等离子体声波的峰值声压不相同，材料Al、Sn、Cu和Fe对应的峰值声压逐渐减小[1]。研究表明，以上两个影响因素中的某些参数变化时，对声波的某些特性影响不显著，如激光波长(532nm、1064nm)、激光能量和作用物质(如Cu、Al、Fe)的变化对其激光诱导击穿声波频谱没有显著影响[2]，激光等离子体声波的频谱分布、峰值频率与激光能量、激光在水下的衰减特性与水下环境无关[3]等。

激光诱导等离子体同时产生发光和发声现象，发光及其应用研究较多，有关等离子体发声的研究文献相对较少，其理论研究主要是从激光与物质相互作用的机理和过程出发建立激光等离子体膨胀的物理模型[4-8]，应用研究大多集中在材料表面冲击强化、声波用于激光等离子体信息诊断和检测方面[9-13]，在激光声波“雷达”、激光冲击波推进等方面也有少量研究[14-15]。有关激光等离子体冲击波之后的普通声波及其应用研究文献则很少。激光诱导击穿声波的空间和时间分辨率较高，探究激光诱导击穿等离子体声波的特性，有利于合理选择激光致声条件和正确设计声接收系统参量[16]，对于广泛深入研究激光诱导击穿技术及其应用具有重要意义。本文采用激光诱导击穿声波测量系统，实验研究激光诱导击穿空气声波的时域和空气声波强度的空间分布等特性。

1 实验部分

采用Nd：YAG光泵浦固体激光器(Beamtech，Nimma900)发射激光，激光器输出镜后放置激光衰减器，激光衰减器后放置半透射半反射镜，一路激光反射到激光能量计探头，用于测量能量，另一路激光透过凸透镜聚焦击穿空气，在适当位置放置声波探头，声波探头后接入前置放大器，其后再接入数字存储示波器，用来采集、显示和保存声波数据信息。测量系统装置组成如图1所示。采用Nd：YAG激光器，激光波长为1064nm和532nm，能量范围100～200mJ，声波探头灵敏度-38.8dB(11.5mV/Pa)。在不同激光参数和不同测量条件下击穿空气，测量不同条件下的激光诱导击穿等离子体声波特性。

图1 激光诱导击穿声波测量系统装置组成图

调整激光器使激光水平输出，在发光点水平面内垂直于激光传播方向上(距离发光点大于60mm)放置声音接收探头。调节信号调理器放大倍数，观察不同激光器输出能量下的击穿声波波形；调节信号放大倍率，确保声波图像在示波器呈现出不饱和状态，其他测量条件不变，测量并存储不同条件下的击穿声波波形。环境条件：空气温度19℃，相对湿度45%。空气压力0.101MPa。

2 结果与讨论

2.1 不同激光能量下击穿空气声波的时域特性

测量条件：波长1064nm，脉宽9ns，聚焦透镜焦距100mm，声波探头距离声源130mm。

激光能量范围103～196mJ，在9个不同能量(103 mJ、110 mJ、118 mJ、129 mJ、136 mJ、148 mJ、166 mJ、181 mJ、196mJ)下击穿空气，采集每个声波的数据。

激光能量在103～196mJ的9个声波在时域中的波形如图2所示。

图2 103～196mJ的9个声波在时域中的波形

由图2可以看出，能量从103～196mJ的激光诱导击穿声波波形极为相似。如声波振幅在时域中存在相关性，则对该类声波的数据分析比较简便，因此首先对相关性进行定量分析。

选取能量为181mJ和196mJ的2个各自单次声波波形数据，以196mJ的声波振幅为横坐标，以181mJ的声波振幅为纵坐标，分别绘制同一时刻的数据点(每一点代表同一时刻的2个声波振幅)，如图3a所示。由图3a可见，数据点呈现出线性关系，线性拟合系数为0.99827。选取能量为181mJ的2个单次声波波形数据，以其中一个单次声波振幅为横坐标，以另一个单次声波振幅为纵坐标，绘制数据点并进行拟合，如图3b所示。由图3b可见，数据点也呈现出线性关系，线性拟合系数为0.99826。取能量为103mJ和196mJ的2个各自单次声波波形数据，绘制数据点并进行拟合，如图3c所示。由图3c可见，在能量相差近一倍时的2个各自单次声波振幅的数据点也呈现出线性关系，线性拟合系数为0.9926。

图3 不同激光能量下单次击穿声波振幅在不同时刻的相关性

由此可见，不同能量激光产生的击穿声波时域波形间的相关性与同一能量激光的不同脉冲产生的击穿声波时域波形间的相关性是一致的。由于激光诱导击穿空气声波振幅在时域上具有显著相关性，因此可以提取少数几个时刻的信息代表完整声波的特性。

2.2 击穿空气声波强度的空间分布特性

激光诱导击穿声波的空间和时间分辨率较高，可应用于声呐技术中，尤其是水中小目标的探测。脉冲激光击穿所激发声场的方向特性对于合理选择激光致声条件和正确设计声接收系统参量具有重要意义。

测量条件：激光波长1064nm，脉宽9ns，能量102mJ，聚焦透镜焦距100mm，声波探头距离声源250mm，探测角度45°、90°、135°、225°、270°、315°。激光诱导击穿声波测量角度示意图如图4所示。

图4 激光诱导击穿声波测量角度示意图

声波探头沿着测量角度方向对准击穿点，在激光能量102mJ、距离发声点250mm的圆周上测量不同角度(方向)的声波。每个测量点在同一激光能量下重复观测50个击穿声波。

单次测量数据的相对标准偏差(Relative Standard Deviation，RSD)为5.0%～6.5%。为检验均值的一致性，利用t检验计算均值和置信区间(显著性水平α选取双侧0.05)，计算结果见表1所示。表中SD(Standard Deviation)为标准偏差。

表1 观测角度-声波振幅列表(250mm，102mJ)

根据表1数据及数理统计理论计算，得到各对称点的均值之差及均值差的标准偏差，计算结果如表2所示。

表2 均值差表(t检验临界值1.98447，自由度γ=98)

由表2可见，225°和45°两个对称点的声波振幅均值之差为0.0696，均值之差的标准偏差为0.021，两均值之差的扩展不确定度为0.042，小于0.0696；因此，该两点的均值不一致，225°声波强度高于前向点对称处45°的声波强度。135°和315°两个对称点的数据分析也表明，两均值之差为0.0584，均值差的标准偏差为0.018，两均值之差的扩展不确定度为0.036，小于 0.0584；因此，该两点的均值也不一致，135°声波强度高于前向点对称处315°的声波强度。90°和270°两个对称点的数据分析表明，两均值之差为0.0032，均值差的标准偏差为0.026，两均值之差的扩展不确定度为0.052，大于0.0032；因此，该两点的均值一致，90°声波强度等于对称处270°的声波强度。

为更直观地表现出声波振幅和声波探头与激光器光轴的角度关系，将所得数据绘制成雷达图，如图5所示。

图5 250mm处声波振幅与角度关系

2.3 激光诱导击穿空气声波的波前特性

为测量声波振幅在不同方向上随着距离的衰减情况，设计如下测量条件。

激光参数：激光波长1064nm，脉宽9ns，能量81mJ。透镜焦距：100mm。探测方向：90°、45°、135°。声源距离：150mm、200mm、250mm、300mm、350mm、400mm、450mm、500mm、550mm、600mm、650mm、700mm、750mm、800mm、850mm。

由2.2的结论可知，沿激光传播方向轴对称点处的声波振幅相等，故仅需测量45°、90°、135°三个方向的数据。不同方向的声波振幅衰减情况如图6所示。

图6 45°、90°、135°方向上声波振幅随距离的衰减

由图6可以看出：距离相同时三个方向的声波振幅不同，90°方向振幅最大，45°方向振幅次之，135°方向振幅最小；三个方向的声波振幅衰减方式一致，近似于双曲线。根据球面波的振幅随距离按照双曲线衰减(球面波振幅与声源距离成反比)理论，构建一定方向上传播的球面波的振幅随距离衰减的方程为

(1)

式中：x为发光中心与声波探头距离；x0为等效声源与发光中心的距离；b为按照双曲线拟合得到的该方向单位距离处(等效1mm处)的振幅值，可看成该方向的振幅相对强度；a为按照双曲线拟合得到的该方向振幅测量系统校正值。等效声源位置未知，无法直接测量，只能直接测量发光中心与声波探头的距离x。当x0取负值表明等效声源位于发光中心到声波探头的连线一侧，x0为正值表明等效声源位于声波探头到发光中心连线的延长线一侧。按照公式对数据进行拟合，结果如表3所示。

表3 声波等效球面波拟合结果

由表3可以看出：在135°、45°、90°三个方向上的b值依次增大，表明90°方向振幅最强，135°方向振幅最弱，45°方向振幅强于135°方向，进一步证实了2.2的结论；三个方向上的x0值分别为-14.5mm、-6.5mm、-17.3mm，表明三个方向的等效声源位置不同。

根据文献[17]，波长1064nm、脉宽15ns的激光经焦距147mm凸透镜聚焦击穿空气时产生冲击波，40～100mJ冲击波初始速度可以达到6～8Ma，冲击波传播距离达到10～20mm时衰减为普通声波。本文测量数据与该文献数据相吻合，x0与该文献中的冲击波空间尺度10～20mm符合较好。x0与等效声源位置有关，一个方向的等效声源位置与冲击波在各个方向的膨胀速度分布和总的声场分布有关。由此可知，激光诱导击穿空气的冲击波速度在不同方向上有差异，冲击波的波前不是理想的球面，其波前方程包含角度和时间两个变量，激光诱导击穿空气声波的波前也为非球面。

3 结论

采用Nd：YAG光泵浦固体激光器研究激光诱导击穿空气的声波特性。研究结果表明：不同能量激光产生击穿声波的时域波形间的相关性与同一能量激光的不同脉冲产生击穿声波的时域波形间的相关性一致；激光的传播方向影响其击穿声波强度的空间分布特性，不同方向上的声波强度不同，沿激光传播方向轴对称点处的声波振幅相等；激光诱导击穿空气声波的振幅与距离的关系按照球面波传播方式衰减，激光诱导击穿空气声波的波前为非球面。