技术领域
[0001] 本
发明涉及光电探测领域，具体涉及空泡光学探测领域，特别涉及一种透明液体环境中对称空泡动力学的探测装置及方法。
背景技术
[0002] 空泡是自然界和人类生产生活中常见的一种物理现象，人们对该现象的关注主要起源于1897年英国“果敢号”鱼雷艇和几艘
蒸汽机船相继发生的螺旋桨效率严重下降事件。早期，人们对于空泡的研究多集中于其产生的负面影响，如空泡对
水利机械、堤坝等设施表面的剥蚀破坏作用，以及
空化噪声对鱼雷等水下兵器隐蔽性的破坏作用。随着科技的不断发展、空泡现象研究的不断深入，人们发现越来越多的领域涉及空泡现象，在某些领域空泡更是开始展现出其有利的一面。比如，在医疗领域中，空泡可应用于
粉碎人体结石；在
生物领域，空泡可应用于细胞
薄膜穿刺；在工业加工领域，空泡可应用于水利钻孔。由此，空泡的研究具有重要的现实意义。
[0003] 空泡的动力学行为是空泡的主要研究内容之一。常用的空泡动力学实验探测方法有很多，主要可以分为两类：一类是基于摄影法的实验方法，如高速摄影法、纹影法、全息摄影法等；另一类是基于探测光束的实验方法，比如光束偏转法、光束透射法等。其中，最为理想的方式是高速摄影法，该方法能够用于球形空泡、非球形的对称空泡、非对称空泡的探测。然而，由于空泡生命周期较短，为准确探测空泡的动力学行为，高速摄影法需要配备较高
帧率的高速摄像机，成本较为高昂。对称空泡的动力学行为是常见的研究对象。对此，可采用激光光束作为基本探测手段，通过分析受空泡扰动的光束来提取激光光束与空泡作用点的动力学信息，如光束偏转法、光束透射法等。这种方法简单、易操作且花费少，多被用于对称空泡的动力学测量。采用该方法比较具有代表性的是2007年斯洛文尼亚卢布尔雅那大学的 R等人，他们采用光束偏转法辅以二维扫描法测量得到了空泡某一时刻的二维形貌图，但该图是基于高可重复的空泡，通过多次重复测量分析得到的，工作量巨大。国内的李贝贝等人提出的基于概率分析的光学测量方法对测量的
精度以及工作量都有了改进，但该方法依然基于空泡的高可重复性，需要进行多次重复测量。如何对单个空泡动力学行为进行低成本、高效率的探测一直是本领域光学测量方法的发展方向。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种高效的可对透明液体环境中对称空泡的动力学行为进行探测的装置及方法。
[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种透明液体环境中对称空泡动力学的探测装置，包括探测光束
激光器、扩束镜、第一柱面凹透镜、可调光学狭缝、第一柱面凸透镜、矩形光阑、第二柱面凹透镜、第二柱面凸透镜、等间距矩形光阑、第三柱面凸透镜、第三柱面凹透镜、第四柱面凹透镜、对探测光束进行聚焦的透镜组、带干涉滤波片的光电探测器组、示波器组以及设有能透射探测光窗口的盛有透明液体的容器；
[0006] 其中，等间距矩形光阑包括n个矩形光阑，对探测光束进行聚焦的透镜组所包含的透镜数、带干涉滤波片的光电探测器组所包含的光电探测器数以及示波器组所包含的示波器数均为n；探测光束激光器、扩束镜、第一柱面凹透镜、可调光学狭缝、第一柱面凸透镜、矩形光阑、第二柱面凹透镜、第二柱面凸透镜、等间距矩形光阑、第三柱面凸透镜、第三柱面凹透镜、第四柱面凹透镜沿探测光束发射方向依次同轴设置，设有能透射探测光窗口的盛有透明液体的容器位于第三柱面凹透镜和第四柱面凹透镜之间；对探测光束进行聚焦的透镜组将经第四柱面凹透镜扩散的每一束探测光分别聚焦到带干涉滤波片的光电探测器组中对应的光电探测器上，带干涉滤波片的光电探测器组的输出端与示波器组一一对应相连。
[0007] 进一步地，所述第一柱面凹透镜、第一柱面凸透镜的轴向子午线与可调光学狭缝的缝隙中线，以及被测对称空泡的对称轴同方向。
[0008] 进一步地，所述矩形光阑、等间距矩形光阑的长对称轴，与第二柱面凹透镜、第二柱面凸透镜、第三柱面凸透镜、第三柱面凹透镜、第四柱面凹透镜的轴向子午线同方向，且该方向与探测光束激光器的发射方向以及被测对称空泡的对称轴方向两两垂直。
[0009] 进一步地，所述矩形光阑的长大于等间距矩形光阑的长。
[0010] 进一步地，所述探测光束激光器采用光强分布为高斯分布的He-Ne激光器。
[0011] 一种透明液体环境中对称空泡动力学的探测方法，包括以下步骤：
[0012] 步骤1、利用扩束镜将探测光束激光器产生的探测光束扩束m倍；
[0013] 步骤2、调节各光学器件使探测光束激光器、扩束镜、第一柱面凹透镜、可调光学狭缝、第一柱面凸透镜、矩形光阑、第二柱面凹透镜、第二柱面凸透镜、等间距矩形光阑、第三柱面凸透镜、第三柱面凹透镜、第四柱面凹透镜同轴等高，并将可调光学狭缝调节至缝隙最大；
[0014] 步骤3、调节第一柱面凹透镜和第一柱面凸透镜的间距，使经过第一柱面凸透镜的探测光束为平行光束，同时使第一柱面凹透镜和第一柱面凸透镜的组合对光束在第一柱面凹透镜和第一柱面凸透镜的屈光力子午线所在方向上的扩束作用不小于10倍；
[0015] 步骤4、缩小可调光学狭缝的缝隙宽度，直至通过可调光学狭缝后到达第一柱面凸透镜的探测光束不超出第一柱面凸透镜的有效聚焦面，由此将通过矩形光阑的探测光束调节为光强分布均匀的“一字型”光束；
[0016] 步骤5、调节第二柱面凹透镜和第二柱面凸透镜的间距，使经过第二柱面凸透镜的光束在第二柱面凹透镜和第二柱面凸透镜的屈光力子午线所在方向上进行扩束，直至扩束后的探测光束
覆盖等间距矩形光阑的所有矩形光阑，由此将通过等间距矩形光阑的探测光束调节为光强分布均匀的排状平行探测光束；
[0017] 步骤6、调节第三柱面凸透镜和第三柱面凹透镜的间距，使经过第三柱面凹透镜的排状平行探测光束依然为平行光，且保证排状平行探测光束的探测区域宽度l大于被测对称空泡的轴向最大直径；
[0018] 步骤7、调节对探测光束进行聚焦的透镜组和带干涉滤波片的光电探测器组的
位置，使经第四柱面凹透镜扩散的每一束探测光分别聚焦到带干涉滤波片的光电探测器组中对应的光电探测器上，并使得示波器组得到的每一个
信号电压均最大，分别记为Vi(max)，i＝1,2,…,n；
[0019] 步骤8、完全遮挡住探测光束，记录此时示波器组上得到的信号电压，分别记为Vi(min)；
[0020] 步骤9、利用空泡产生装置在设有能透射探测光窗口的盛有透明液体的容器内产生被测对称空泡，并确保所述排状平行探测光束的中心经过被测对称空泡产生位置，且被测对称空泡的对称轴与可调光学狭缝的缝隙中线同向，记录此时示波器组中显示的
电信号波形，分别记为Vi(t)；
[0021] 步骤10、以被测对称空泡产生位置为坐标原点o，被测对称空泡的对称轴为x轴，矩形光阑的长对称轴为y轴，建立探测区域的xoy平面内各探测点由被测对称空泡引起的空间变化关系，通过分析该空间变化关系，即可得到探测区域内对称空泡的动力学行为。
[0022] 进一步地，步骤10所述探测区域的xoy平面内各探测点由被测对称空泡引起的空间变化关系的公式为：
[0023]
[0024] 式中，f(xi)为空泡泡壁在y轴上的坐标Y随时间的变化关系，xi为第i个探测点的横坐标，w、h分别为等间距矩形光阑中每一个矩形光阑的宽度、长度，s为相邻两个矩形光阑的间距，l为排状平行探测光束的探测区域宽度。
[0025] 本发明与
现有技术相比，其显著优点为：1)本发明实现了对透明液体内百微米量级及以上对称空泡的多点探测，能够获得单个对称空泡的大致形貌随时间的变化关系，而不仅仅限于空泡最大泡半径和脉动周期；2)利用本发明的方法进行探测时，仅需单次测量，大大降低了工作量；3)本发明还可用于对百微米量级及以上非透明物体的动力学行为进行探测。
[0026] 下面结合
附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
[0027] 图1为本发明透明液体环境中对称空泡动力学的探测装置示意图，其中图(a)～(e)分别为其对应箭头所示位置的探测光束截面图。
[0028] 图2为本发明
实施例中对称空泡产生位置探测点所对应示波器获得的波形图，其中虚线框中的部分是由激光诱导空泡产生过程中激光光学击穿时
辐射出的冲击波所致。
[0029] 图3为本发明实施例中探测平面即xoy平面内空泡泡壁在y轴上的坐标Y随时间的变化关系图，其中虚线框中的部分是由激光诱导空化泡产生过程中激光光学击穿时辐射出的冲击波所致。
[0030] 图4为本发明实施例中空泡膨胀至最大
时空泡在探测平面即xoy平面内各探测点泡壁的坐标位置图。
[0031] 图5为本发明实施例中排状探测光束的光强分布均匀性测试图。
[0032] 图中附图标记及其对应部分为：1探测光束激光器；2扩束镜；3第一柱面凹透镜；4可调光学狭缝；5第一柱面凸透镜；6矩形光阑；7第二柱面凹透镜；8第二柱面凸透镜；9等间距矩形光阑；10第三柱面凸透镜；11第三柱面凹透镜；12第四柱面凹透镜；13对探测光束进行聚焦的透镜组；14带干涉滤波片的光电探测器组；15示波器组；16设有能透射探测光窗口的盛有透明液体的容器；17对称空泡位置示意图。
具体实施方式
[0033] 结合图1，本发明提出的一种透明液体环境中对称空泡动力学的探测装置，包括探测光束激光器1、扩束镜2、第一柱面凹透镜3、可调光学狭缝4、第一柱面凸透镜5、矩形光阑6、第二柱面凹透镜7、第二柱面凸透镜8、等间距矩形光阑9、第三柱面凸透镜10、第三柱面凹透镜11、第四柱面凹透镜12、对探测光束进行聚焦的透镜组13、带干涉滤波片的光电探测器组14、示波器组15以及设有能透射探测光窗口的盛有透明液体的容器16；
[0034] 其中，等间距矩形光阑9包括n个矩形光阑，对探测光束进行聚焦的透镜组13所包含的透镜数、带干涉滤波片的光电探测器组14所包含的光电探测器数以及示波器组15所包含的示波器数均为n；探测光束激光器1、扩束镜2、第一柱面凹透镜3、可调光学狭缝4、第一柱面凸透镜5、矩形光阑6、第二柱面凹透镜7、第二柱面凸透镜8、等间距矩形光阑9、第三柱面凸透镜10、第三柱面凹透镜11、第四柱面凹透镜12沿探测光束发射方向依次同轴设置，设有能透射探测光窗口的盛有透明液体的容器16位于第三柱面凹透镜11和第四柱面凹透镜12之间；对探测光束进行聚焦的透镜组13将经第四柱面凹透镜12扩散的每一束探测光分别聚焦到带干涉滤波片的光电探测器组14中对应的光电探测器上，带干涉滤波片的光电探测器组14的输出端与示波器组15一一对应相连。
[0035] 进一步地，第一柱面凹透镜3、第一柱面凸透镜5的轴向子午线与可调光学狭缝4的缝隙中线，以及被测对称空泡17的对称轴同方向。
[0036] 进一步地，矩形光阑6、等间距矩形光阑9的长对称轴，与第二柱面凹透镜7、第二柱面凸透镜8、第三柱面凸透镜10、第三柱面凹透镜11、第四柱面凹透镜12的轴向子午线同方向，且该方向与探测光束激光器1的发射方向以及被测对称空泡17的对称轴方向两两垂直。
[0037] 进一步地，矩形光阑6的长大于等间距矩形光阑9的长。
[0038] 进一步地，探测光束激光器1采用光强分布为高斯分布的He-Ne激光器。
[0039] 示例性优选地，上述He-Ne激光器的
波长为632.8nm，光斑直径为2mm。
[0040] 基于上述透明液体环境中对称空泡动力学的探测装置的探测方法，包括以下步骤：
[0041] 步骤1、利用扩束镜2将探测光束激光器1产生的探测光束扩束m倍；
[0042] 步骤2、调节各光学器件使探测光束激光器1、扩束镜2、第一柱面凹透镜3、可调光学狭缝4、第一柱面凸透镜5、矩形光阑6、第二柱面凹透镜7、第二柱面凸透镜8、等间距矩形光阑9、第三柱面凸透镜10、第三柱面凹透镜11、第四柱面凹透镜12同轴等高，并将可调光学狭缝4调节至缝隙最大；
[0043] 步骤3、调节第一柱面凹透镜3和第一柱面凸透镜5的间距，使经过第一柱面凸透镜5的探测光束为平行光束，同时使第一柱面凹透镜3和第一柱面凸透镜5的组合对光束在第一柱面凹透镜3和第一柱面凸透镜5的屈光力子午线所在方向上的扩束作用不小于10倍；
[0044] 步骤4、缩小可调光学狭缝4的缝隙宽度，直至通过可调光学狭缝4后到达第一柱面凸透镜5的探测光束不超出第一柱面凸透镜5的有效聚焦面，由此将通过矩形光阑6的探测光束调节为光强分布均匀的“一字型”光束；
[0045] 步骤5、调节第二柱面凹透镜7和第二柱面凸透镜8的间距，使经过第二柱面凸透镜8的光束在第二柱面凹透镜7和第二柱面凸透镜8的屈光力子午线所在方向上进行扩束，直至扩束后的探测光束覆盖等间距矩形光阑9的所有矩形光阑，由此将通过等间距矩形光阑9的探测光束调节为光强分布均匀的排状平行探测光束；
[0046] 步骤6、调节第三柱面凸透镜10和第三柱面凹透镜11的间距，使经过第三柱面凹透镜11的排状平行探测光束依然为平行光，且保证排状平行探测光束的探测区域宽度l大于被测对称空泡的轴向最大直径；
[0047] 步骤7、调节对探测光束进行聚焦的透镜组13和带干涉滤波片的光电探测器组14的位置，使经第四柱面凹透镜12扩散的每一束探测光分别聚焦到带干涉滤波片的光电探测器组14中对应的光电探测器上，并使得示波器组15得到的每一个信号电压均最大，分别记为Vi(max)，i＝1,2,…,n；
[0048] 步骤8、完全遮挡住探测光束，记录此时示波器组15上得到的信号电压，分别记为Vi(min)；
[0049] 步骤9、利用空泡产生装置在设有能透射探测光窗口的盛有透明液体的容器16内产生被测对称空泡17，并确保所述排状平行探测光束的中心经过被测对称空泡17产生位置，且被测对称空泡17的对称轴与可调光学狭缝4的缝隙中线同向，记录此时示波器组15中显示的电信号波形，分别记为Vi(t)；
[0050] 步骤10、以被测对称空泡17产生位置为坐标原点o，被测对称空泡17的对称轴为x轴，矩形光阑6的长对称轴为y轴，建立探测区域的xoy平面内各探测点即排状平行探测光束的每一个光束由被测对称空泡17引起的空间变化关系，通过分析该空间变化关系，即可得到探测区域内对称空泡的动力学行为。
[0051] 示例性优选地，步骤1中m大于等于6。
[0052] 进一步地，步骤10中探测区域的xoy平面内各探测点由被测对称空泡17引起的空间变化关系的公式为：
[0053]
[0054] 式中，f(xi)为空泡泡壁在y轴上的坐标Y随时间的变化关系，xi为第i个探测点的横坐标，w、h分别为等间距矩形光阑9中每一个矩形光阑的宽度、长度，s为相邻两个矩形光阑的间距，l为排状平行探测光束的探测区域宽度。
[0055] 下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述。
[0056] 实施例
[0057] 本实施例中基于透明液体环境中对称空泡动力学探测装置的探测方法，包括以下内容：
[0058] 步骤1、根据如图1所示的透明液体环境对称空泡动力学探测装置示意图搭建光学探测系统。其中探测光束激光器1采用He-Ne激光光束(波长632.8nm，光斑直径为2mm，光强分布为高斯分布)；扩束镜组2采用6倍扩束镜；矩形光阑6的长为6mm，宽为1mm；等间距矩形光阑9中矩形光阑的数量n为7，且每个矩形光阑的大小相同，长h为5mm，宽w为0.5mm，相邻两个矩形光阑的间距s为1mm；由此，对探测光束进行聚焦的透镜组13、带干涉滤波片的光电探测器组14以及示波器组15的数量均为7；容器16的材料为在波长为632.8nm和1064nm附近透射率较高的光学玻璃，内部装满去离子水；对称空泡由Nd:YAG激光光束(波长1064nm，脉宽7ns)沿着与探测光束传输方向和矩形光阑缝隙中线两两垂直的方向聚焦于去离子水中的探测区域产生。
[0059] 步骤2、调节各光学器件使探测光束激光器1、扩束镜2、第一柱面凹透镜3、可调光学狭缝4、第一柱面凸透镜5、矩形光阑6、第二柱面凹透镜7、第二柱面凸透镜8、等间距矩形光阑9、第三柱面凸透镜10、第三柱面凹透镜11、第四柱面凹透镜12同轴等高，并将可调光学狭缝4调节至缝隙最大；
[0060] 步骤3、调节第一柱面凹透镜3和第一柱面凸透镜5的间距，使经过第一柱面凸透镜5的探测光束为平行光束，同时使第一柱面凹透镜3和第一柱面凸透镜5的组合对光束在第一柱面凹透镜3和第一柱面凸透镜5的屈光力子午线所在方向上扩束10倍；
[0061] 步骤4、缩小可调光学狭缝4的缝隙宽度，直至通过可调光学狭缝4后到达第一柱面凸透镜5的探测光束不超出第一柱面凸透镜5的有效聚焦面，由此将通过矩形光阑6的探测光束调节为光强分布均匀的“一字型”光束；
[0062] 步骤5、调节第二柱面凹透镜7和第二柱面凸透镜8的间距，使经过第二柱面凸透镜8的光束在第二柱面凹透镜7和第二柱面凸透镜8的屈光力子午线所在方向上扩束12倍，使得扩束后的探测光束覆盖等间距矩形光阑9的所有矩形光阑，由此将通过等间距矩形光阑9的探测光束调节为光强分布均匀的排状平行探测光束；
[0063] 步骤6、调节第三柱面凸透镜10和第三柱面凹透镜11的间距，使经过第三柱面凹透镜11的排状平行探测光束依然为平行光，且保证排状平行探测光束的探测区域宽度l大于被测对称空泡的轴向最大直径，在本实施例中，目标对称空泡的轴向最大直径不超过4mm，l设置为4.75mm；
[0064] 步骤7、调节对探测光束进行聚焦的透镜组13和带干涉滤波片的光电探测器组14的位置，使经第四柱面凹透镜12扩散的每一束探测光分别聚焦到带干涉滤波片的光电探测器组14中对应的光电探测器上，并使得示波器组15得到的每一个信号电压均最大，分别记为Vi(max)，i＝1,2,…,7，通过计算机处理示波器信号，可读得V1(max)＝2.74V，V2(max)＝2.78V，V3(max)＝2.80V，V4(max)＝2.82V，V5(max)＝2.81V，V6(max)＝2.78V，V7(max)＝2.75V；
[0065] 步骤8、完全遮挡住探测光束，记录此时示波器组15上得到的信号电压，分别记为Vi(min)，通过计算机处理示波器信号，可读得V1(min)＝0.01V，V2(min)＝0.01V，V3(min)＝0.01V，V4(min)＝0.01V，V5(min)＝0.01V，V6(min)＝0.01V，V7(min)＝0.01V；
[0066] 步骤9、利用空泡产生装置在设有能透射探测光窗口的盛有透明液体的容器16内产生被测对称空泡17，并确保所述排状平行探测光束的中心经过被测对称空泡17产生位置，且被测对称空泡17的对称轴与可调光学狭缝4的缝隙中线同向，记录此时示波器组15中显示的电信号波形，分别记为Vi(t)；
[0067] 步骤10、以被测对称空泡17产生位置为坐标原点o，空泡对称轴为x轴，矩形光阑6的长对称轴为y轴，建立探测区域的xoy平面内各探测点由空泡引起的空间变化关系f(xi)为：
[0068]
[0069]
[0070]
[0071]
[0072]
[0073]
[0074]
[0075] 通过分析该空间变化关系，即可得到探测区域内对称空泡的动力学行为。具体分析过程如下：
[0076] 以xoy平面内坐标原点即空泡产生位置的探测点获得的电信号波形V4(t)为例(如图2所示)，通过公式转换后即可得到xoy平面内空泡泡壁在y轴上的坐标Y随时间的变化关系(如图3所示)。而对于坐标原点的探测点，该探测点的空泡泡壁在y轴上的坐标的绝对值即为空泡的半径。可以得到，空泡在y轴方向上的最大泡半径Rmax＝1.93mm，空泡第一次脉动周期Tos1＝364μs。
[0077] 对其余6个探测点进行同样的分析，即可得到任意时刻xoy平面内各探测点空泡泡壁的坐标位置图。图4给出了空泡膨胀至最大即Tmax＝181μs时空泡在xoy平面内各探测点泡壁的坐标位置图，由此得到了该时刻空泡的大致形貌图。通过分析不同时刻的空泡形貌，即可实现对空泡动力学行为的探测。
[0078] 本发明所提供的透明液体环境中对称空泡动力学的探测方法最主要的前提是产生光强分布均匀的排状探测光束。基本原理是基于光强空间分布为高斯分布的探测光束，通过光学元件组提取高斯探测光束中心区域光强变化较缓的部分，再经过等间距矩形光阑9产生光强分布均匀的排状探测光束。在透明液体环境中对称空泡动力学的探测装置搭建完成后，首先需要验证排状探测光束中的每一束“一字线”探测光束的光强分布均匀性。具体方法是依次对每一束“一字型”探测光束在y轴方向上进行逐步遮挡，并读取示波器显示的对应电压值。即首先遮挡所选“一字型”探测光束0.2mm的长度，读取示波器电压值；随后遮挡“一字型”探测光束0.4mm的长度，读取示波器电压值；直至所选“一字型”探测光束被完全遮挡，读取示波器电压值。对排状探测光束中的每一束“一字线”探测光束进行均匀性测试后，即可得到“一字型”探测光束被遮挡部分长度YC与对应示波器接收到的信号电压Voltage的关系图，如图5所示。可以看到，本实例中7条“一字型”探测光束的光强分布均比较均匀，由此表明本发明的一种透明液体环境中对称空泡动力学的探测方法是可行的。
[0079] 本发明实现了通过单次测量对透明液体环境中对称空泡动力学行为的探测，方法简单且高效，适用于百微米量级及以上的对称空泡动力学行为的探测。
