声光技术第4讲激光致声基本原理

1、激光致声基本原理激光致声基本原理第第0404讲讲(2(2学时学时) )1. 激光致声基本原理概述激光致声基本原理概述2.1 激光致声热膨胀机制激光致声热膨胀机制2.2 激光致声的汽化机制激光致声的汽化机制主要内容主要内容1.1.激光致声基本原理概述激光致声基本原理概述(1)(1)入射激光能量较小时入射激光能量较小时: : 相互作用能量较低相互作用能量较低, ,水面加热达不到沸点温度水面加热达不到沸点温度-产声机制产声机制: :水的不均匀加热所引起的热弹性压力水的不均匀加热所引起的热弹性压力.-.-简言之简言之: :主要机制为热膨胀主要机制为热膨胀. .(2)(2)入射激光能量较高时入射激光能量

2、较高时: : 相互作用能量较高相互作用能量较高, ,水面加热达到沸点温度水面加热达到沸点温度-产声机制产声机制: :除了热膨胀之外除了热膨胀之外, ,起主导作用的是汽化起主导作用的是汽化机制机制: :汽化引起的水的沸腾和水蒸气的膨胀与爆裂汽化引起的水的沸腾和水蒸气的膨胀与爆裂, ,形成水的表面喷出形成水的表面喷出, ,其反作用为主要声脉冲源其反作用为主要声脉冲源. .(3)(3)入射激光能量很高时入射激光能量很高时: : 相互作用能量很高相互作用能量很高, ,水面加热达沸点温度水面加热达沸点温度-产生水的沸腾产生水的沸腾, ,在沸腾气泡破裂前在沸腾气泡破裂前, ,继续有能量注入继续有能量注入,

3、 ,则将水汽电离则将水汽电离, ,变成等离子体态变成等离子体态-等离子体等离子体爆炸爆炸, ,形成很强的冲击波形成很强的冲击波, ,在空气在空气 水中很快衰减变成水中很快衰减变成通常的声压波通常的声压波-主要声源就是介电击穿主要声源就是介电击穿. .2.1 2.1 激光致声热膨胀机制激光致声热膨胀机制 （1）aalfa1时：弱吸时：弱吸收，激光能射入较深的地收，激光能射入较深的地方；方； （2 2）a aalfaalfa1 1时：强吸收，能量沉积时：强吸收，能量沉积在与水面密接的薄圆盘内，生成的在与水面密接的薄圆盘内，生成的声波是与表面平行的平面波。声波是与表面平行的平面波。假假 定：定： 特

4、征半径为a的激光束， 垂直照射， 水表面上吸收系数为alfa，则：则：能量沉淀区的形状和大小可以由aalfa来确定。水对激光能量的吸收与光的波长相关水对激光能量的吸收与光的波长相关消光长度：消光长度： 激光能量衰减到激光能量衰减到1/e时的传输距离。时的传输距离。（在数值上等于吸收系数（在数值上等于吸收系数alfa的倒数）的倒数）水中消光长度与激光波长的相互关系nd: yag激光器 co2激光器 波长1.06um 波长10.6 消光长度100mm 消光长度0.1mm结论：结论：（1）水对co2激光器激光的吸收对 nd:yag激光器激光的吸收；（2）当垂直入射时，所形成的能量沉积区如前面强吸收图

5、所示；（3）事实上，水对co2激光器激光的吸收系数alfa=800/cm，考虑较大的光束发射，alfaa1总是满足的。短激光脉冲作用下声波的产生短激光脉冲作用下声波的产生zee0)(10pcet1pc水中不同深度淀积的热能密度表示为：水中不同深度淀积的热能密度表示为：其中：其中：alfa为吸收系数；为吸收系数；e0为表面处的热能密度；为表面处的热能密度；z为垂直表面的坐标。为垂直表面的坐标。淀积区内水温度的增加为：淀积区内水温度的增加为：式中：式中： 水的初始密度；水的初始密度； 水的定压比热容；水的定压比热容；假设：假设：激光脉冲宽度激光脉冲宽度 与声波在跨越吸收区深度上的行进时间与声波在跨

6、越吸收区深度上的行进时间 相比很小，即满足：相比很小，即满足： ，则可以认为：在脉冲作用时间内，水的密度不会发生很大的变化。则可以认为：在脉冲作用时间内，水的密度不会发生很大的变化。 主要声场能量来源于由于温度分布不均匀造成的压力场，压力主要声场能量来源于由于温度分布不均匀造成的压力场，压力 改变值为：改变值为： ，将，将 表达式代入得到：表达式代入得到：l11)(ca11lcttcpv211水的体积膨胀系数水中声速，压力振幅，其中：vapvazaacpceacpepp1021/,22aapp振幅播一个向水和空气界面传振幅一个向深处传播个波：形成的压力脉冲产生两0, 10, 00, 1)sgn

7、()sgn()2/(10211xxxxtczeceacptczpv声波表示为：区外，向水体内传播的最后，得到在能量淀积近场近似近场近似1 短激光脉冲作用下水面、强吸收时声波的生成短激光脉冲作用下水面、强吸收时声波的生成（a）进入水中的声波和向水-空气截面传播的声波；（b）无反射时两个声波传播分离的情形；（c）进入水中的声波与从水-空气界面上反射的声波的叠加。：为参数作出其声剖面图以则，令111, )sgn(/1ccepcztcaac2)(11宽度为决定，双极性脉冲的总间每个单脉冲的宽度由时双极性脉冲中，由短激光脉冲产生的水中声波是双极性脉冲上图中可以得到：近场近似近场近似2能量沉淀区外水中声波

8、剖面能量沉淀区外水中声波剖面dttfieeitidttetficacpititftcpv)()()sgn()(2)(/ )()(3 . 2000002101表示为：为其最大值，总能量时间函数，是激光辐射功率密度的其中：的卷积得到：数）与激光脉冲的时间函的形状由（宽度时，激发的声脉冲当激光脉冲宽度为任意5 . 17 . 0:33 . 0:21 . 0111111lllllccccc：值不同时光声脉冲剖面参数当激光脉冲为高斯分布时 ，在不同参数下，声脉冲剖面如下：近场近似近场近似32)/()(tetf远场效应远场效应1衍射效应衍射效应122/ caldfdflz 衍射效应由衍射长度表征，宽度为ta

9、o的单脉冲的衍射长度为：dflz 声波具有平行于水平面的平面波，它的横向尺寸与光束焦斑尺寸相当，瞬间剖面也不发生变化，随着z的增大，波前横向扩展，逐渐变成半球形，声压幅度降低，声波剖面也发生重大改变；它趋向于变为初始剖面的导数。光声脉冲因衍射传播z距离的转化过程：1：z/ldf=0；2: z/ldf=0.1；3： z/ldf=1；4： z/ldf=10远场效应远场效应2衰减效应衰减效应)2/exp()2/)(/(21),(:,/223112/32/1311012/32311bzczbcceaczpzlzbbclpvdsds式为：衰减，其关系状，幅度以脉冲具有高斯函数的形平滑，在大距离上，声的梯

10、度变为要了，它使得脉冲剖面时，耗散过程就变得重值接近当为耗散系数。其中征，耗散长度为：衰减效应由耗散长度表远场效应远场效应3非线性效应非线性效应性转换过程如图所示。值下，光声脉冲的非线重要了，在各种时，非线性效应变得距离达到描述的强声波，当传播对于用非线性声学方程是水的非线性参数，其中：度表征，非线性长度为非线性效应由非线性长nlnlnllzlddpcl/)/)(/(1131特征三角形。状变为波前前沿很陡的值很大时，光声脉冲形在图中看出：nllz/光声脉冲的非线性转化过程： 1：z/ldf=0； 2: z/ldf=1； 3： z/ldf=2； 4： z/ldf=3； 5： z/ldf=4。2.

11、2 2.2 激光致声的汽化机制激光致声的汽化机制/1),/)(102lttcqeboilp)(/(011ttceboilp 能量密度大于e1时，多余的能量继续加热更深层的水并使其汽化，将厚度为l的一层水汽化所必须的能量密度为：实际测量表明：汽化脉冲压力峰值发生在evap，其在如下范围内：水面的温度达到tboil时，汽化过程开始。若水的初始温度为t0，则与汽化阈相应的能量密度为：21eeevap 当能量超过evap时，在水表面的激光辐射聚焦区内将产生小空腔蒸汽就是从这个小空腔垂直表面喷射出去的其结果有一反冲作用在水表面上，如同火箭发射的情形一样形成声脉冲，其宽度十分接近激光脉冲的持续时间，汽化脉

12、冲正相位之后就是负相位，激光强度决定汽化速率和喷射质量产生了正比于光强的压力。coco2 2激光辐射在水表面上产生声的过程：激光辐射在水表面上产生声的过程：co2激光脉冲的典型波形汽化机制声脉冲的形成过程 （a）中，阴影部分面积相当于能量密度evap。当tt1时，产生热弹性脉冲，它正比于di(t)/dt;当t=t1时，产生汽化脉冲，一直持续到激光脉冲结束。显然：激光脉冲的峰值越强，热弹性脉冲与汽化脉冲间的间隔越短，汽化脉冲的幅度越大。在非常强和短的激光脉冲的作用下，可能使水过热，大大超过沸腾温度tboil，当温度超过临界温度tcrit=3740c时，水和水蒸汽的界面不复存在，水蒸气可能掩蔽表面

13、，引起能量淀积区的位移。短而强短而强的激光作用下，汽化脉冲光声脉冲的压力公式的激光作用下，汽化脉冲光声脉冲的压力公式（见书（见书20-2120-21页）页）（1 1）汽化产生的压力脉冲持续时间大大超过激光与水表面作用产生的热弹性脉冲的宽度；）汽化产生的压力脉冲持续时间大大超过激光与水表面作用产生的热弹性脉冲的宽度；（2 2）汽化过程激发的声波有大的持续时间）汽化过程激发的声波有大的持续时间有很大的衍射发散有很大的衍射发散从一开始它的波前几从一开始它的波前几乎就是个半球形。乎就是个半球形。光斑面积：光斑面积：4.5cm4.5cm2 20.15j/cm0.15j/cm2 20.6j/cm0.6j/cm2 23.1j/cm3.1j/cm2 21. 1j/cm1. 1j/cm2 24.5j/cm4.5j/cm2 21.8j