激光等离子双空泡相互作用的实验研究(2)
激光与物质的相互作用可以根据物质的物理状态（固液气）分类。而空泡问题是目前流体力学比较活跃的领域，固壁附近空泡的溃灭和反弹不仅会造成螺旋桨叶片表面的气蚀损坏,降低水力机械的物理性能,而且所产生的空化噪声还会暴露水面军舰和水下潜艇位置航速等信息，给己方的安全带来威胁[1]。空化现象不仅会降低水利机械的工作效率、还会改变液体流动产生的相互作用，增加流体阻力，使得有效功率减低。所以不能无视空化现象，而要没法对其进行人工控制，我们要尽量使空化产生的影响减小，如果可能的话，利用空化来造福人类也是个不错的选择。例如声学空泡在溃灭时会产生的高温高压，这可以为需要高温高压的环境（如冶炼，消毒杀菌）等提供能量途径。医学上利用超声波和激光治疗时，在人体组织中会产生的空泡，空泡的溃灭时会对人体组织产生侵蚀等不良影响,但如果能利用这些过剩的能量去杀伤一些病毒和癌细胞也是个聪明的手段。
1.2 激光空泡研究进展
1.3 本文的主要工作
本课题着重研究作用激光参量以及空泡间距的变化对空泡相互作用过程的影响，采用的方法为高速摄影法。建立了基于高速摄影法的实验平台，利用沃拉斯顿棱镜来同时激发两空泡，利用旋转镜调整两空泡的空间间距，用相应的闪光灯来代替时间延迟装置，实现了双空泡运动过程在时间轴上的连续拍摄，然后根据拍摄的图片提取空泡半径、间距等参数，找到空泡半径和间距随时间变化的规律。
2 激光空泡理论
2.1 激光等离子空泡的形成机理
激光富有能量，当强激光与靶材接触时，靶材表面会吸收和反射激光，这样靶材吸收能量后，会改变靶材表面层的结构和特性，靶材在一定区域内温度急剧升高，当温度达到材料熔点，靶材熔融，继续吸收能量，发生汽化，形成蒸汽，蒸汽继续强烈的吸收能量，发生电离形成激光等离子体。如果靶材是在液体环境中，这样形成的就是空泡。
2.2 空泡运动物理过程
如上述，激光束聚焦区的靶材达到一定的温度时会发生电离，产生高温高压的等离子体，其压强一般来说是高于周围液体的压力。随后在泡内外压强差的作用下，等离子体的边界开始迅速沿着径向进行膨胀运动，推开周围液体，形成空泡。但是随着空泡的膨胀，空泡泡内部的压强开始下降。但由于空泡周围液体具有惯性作用，即便泡内压强减小到与周围流动液体压力相同时，气泡还要跟随液体的后退继续膨胀，只是膨胀速度渐渐降低。当空泡受到阻力的作用下不再继续膨胀时，空泡这时候达到最大泡半径；此时泡内压力低于周围液体静压力，在泡内外压力差的作用下，空泡开始向中心收缩，空泡半径渐渐缩小。同样由于液体的惯性作用，即便泡内压强增加到与周围流动液体压力相同时，气泡还要继续收缩，此时内部压力再次高于周围的平衡压力，直至空泡被压缩到最小，此时对应的泡半径为空泡的最小泡半径。至此，第一个膨胀压缩过程结束，接下来空泡仍然按照原来的模式继续进行膨胀与压缩过程，通常将空泡膨胀收缩、再膨胀再收缩的过程称为空泡脉动。由于水的密度比等离子气体的密度大得多，这样水的惯性作用比较明显，且等离子体“弹性”较强，类比于弹簧振子的阻尼振动，空泡会经历多次这样的周期性振动。随着空泡能量逐渐消散到周围液体中，空泡泡内气体由于溶解而逐步减少，，空泡最终会溃灭。
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