阅读说明：本技术 一种激光诱导多点击穿标记测速方法 (Laser-induced multipoint breakdown marking speed measuring method ) 是由 李博 李晓峰 高强 于 2020-03-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种激光诱导多点击穿标记测速方法,采用以下系统实现,所述系统包括飞秒激光器、纳秒激光器、聚焦透镜、二向色镜、轴锥镜以及CCD相机；测量过程中,产生的飞秒激光经过聚焦透镜后在目标流场中自聚焦产生一条一定长度的一维等离子体通道,该通道为预电离区域；产生的纳秒激光经二向色镜反射后与飞秒激光光束在空间上重合,再经过轴锥镜聚焦后在等离子体通道上产生零级贝塞尔光束诱发多点击穿产生用于测速的击穿等离子体亮斑,用CCD相机记录击穿等离子体亮斑的位置信息。本发明采用飞秒纳秒激光连用实现流场空间中多点击穿,通过追踪击穿位置的位移情况,进而实现流场中多点速度同时测量。(The invention discloses a laser-induced multipoint breakdown marking speed measurement method which is realized by adopting a system, wherein the system comprises a femtosecond laser, a nanosecond laser, a focusing lens, a dichroic mirror, an axicon and a CCD camera; in the measuring process, generated femtosecond laser passes through a focusing lens and then is self-focused in a target flow field to generate a one-dimensional plasma channel with a certain length, and the channel is a pre-ionization region; the generated nanosecond laser is reflected by the dichroic mirror and then coincides with the femtosecond laser beam in space, the nanosecond laser is focused by the axicon, the zero-order Bessel beam is generated on the plasma channel to induce multi-point breakdown to generate a breakdown plasma bright spot for speed measurement, and the position information of the breakdown plasma bright spot is recorded by the CCD camera. The invention realizes multi-point breakdown in the flow field space by femtosecond nanosecond laser, and further realizes simultaneous measurement of the speed of multiple points in the flow field by tracking the displacement condition of the breakdown position.)

一种激光诱导多点击穿标记测速方法

技术领域

本发明涉及激光光谱领域和流场测速技术领域，特别是涉及一种激光诱导多点击穿标记测速方法。

背景技术

流场的温度、速度、组分浓度及质量流量等参数的精确测量对于内燃机，超燃冲压发动机等的研究和发展具有极其重要的意义，其中流场速度直接与流场运动状态相关，因此流场中的速度的测量就显得尤为重要。

目前流场速度测量大致可以分为两个大类：

一、非光学方法，以风线测速仪和皮托管为代表，虽然可以精确测量流场速度，但是由于需要侵入流场进行测量，会对流场带来很大干扰。

二、光学测量方法，可以分为两种：一种是利用多普勒效应，以激光多普勒测速(Laser Doppler Velocimetry，LDV)技术为代表，测量速度的原理是通过利用激光照射到运动粒子，运动粒子发出的散射光的多普勒频移来计算出粒子运动速度，或者将粒子吸收线频移与荧光辐射线强度变化相结合，利用荧光辐射强度来实现待测点速度测量，通常激光多普勒测速多用于高速流场测量；

二是利用示踪粒子单位时间内的位移来实现测速，以粒子示踪测速(ParticleImage Velocimetry，PIV)，PIV技术需要在待测流场之中加入示踪粒子，PIV技术通过计算添加的示踪粒子在一定时间内的位移得到流场的速度信息。

但是这两技术均受限于加入粒子的跟随性和散射性在超高音速流场以及燃烧场中应用存在困难。近年来分子标记示踪测速技术得到广泛应用，分子标记示踪测速技术包括：标记流场OH分子的HTV(Hydroxyl tagging velocimetry)技术，标记NO的VENOM(Vibrationally Excited Nitric Oxide Monitoring)技术，标记O₂的RELIEF(Ramanexcitation plus laser-induced electronic fluorescence)等。由于示踪粒子为流场中的分子，跟随性问题从根本上得到解决。另一方面光学信号主要来自于示踪分子的荧光信号，因此不需要考虑粒子的散射性问题，但示踪分子的荧光信号容易受到杂散光以及温度环境影响。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种激光诱导多点击穿标记测速方法，是一种利用激光诱导多点击穿标记测量流场速度的方法，采用飞秒纳秒激光连用实现流场空间中多点击穿，通过追踪击穿位置的位移情况，进而实现流场中多点速度同时测量。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种激光诱导多点击穿标记测速方法，采用以下系统实现，所述系统包括飞秒激光器、纳秒激光器、聚焦透镜、二向色镜、轴锥镜以及CCD相机；测量过程中，产生的飞秒激光经过聚焦透镜后在目标流场中自聚焦产生一条一定长度的一维等离子体通道，该通道为预电离区域；产生的纳秒激光经二向色镜反射后与飞秒激光光束在空间上重合，再经过轴锥镜聚焦后在等离子体通道上产生零级贝塞尔光束诱发多点击穿产生用于测速的击穿等离子体亮斑，用CCD相机记录击穿等离子体亮斑的位置信息。

所述激光诱导多点击穿标记测速方法,还包括以下步骤：

所述CCD相机两次拍摄捕捉固定时间间隔内等离子体亮斑的空间位移，所得图像数据通过计算机处理获得位置变化，即位移信息，最后用位移除以图像拍摄时的时间间隔即可获得流场对应位置的速度信息。

本发明采取飞秒激光预电离，再用纳秒激光诱导击穿的方式实现一条线上的多点击穿，通过追踪被击穿点等离子体子的位移实现速度测量。而飞秒激光的预电离过程有效降低了击穿阈值，飞秒激光产生等离子通道与纳秒激光经轴锥镜聚焦生成的贝塞尔光束重叠后有效扩大了等离子体的生成区域，并且由于贝塞尔光束聚焦过程可以绕过生成的等离子体，进而实现多点击穿现象。

由于激光诱导击穿是一种激光诱发的雪崩电离产生等离子体的现象，该等离子体信号强，持续时间长，不受温度环境影响，且来自于流场本身无需考虑跟随性问题，因此作为高速流场中速度测量的标示物具有明显优势。

附图说明

图1是激光诱导多点击穿标记测速系统的示意图。

图2是CCD成像测速示意图。

图3是合束光路图。

图中标号说明：

1.飞秒激光器；2.纳秒激光器；3.聚焦透镜；4.二向色镜；5.轴锥镜；

6.CCD相机。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明激光诱导多点击穿标记测速方法，采用以下测速系统实现，整个测速系统如图1所示，包括：飞秒激光器1、纳秒激光器2、聚焦透镜3、二向色镜4、轴锥镜5、CCD相机6。

其中，测量过程中飞秒激光经过聚焦透镜会产生长度约为数厘米等离子体通道，纳秒激光则经轴锥镜聚焦，产生贝塞尔光束，聚焦长度同样为数厘米。在二向色镜的辅助下两束激光的聚焦区域完成空间重合，最终在两束光聚焦后的重叠区域内产生密集的击穿等离子体，之后在确定时间间隔测量各个击穿等离子体的位移即可得到速度信息。

具体的是，飞秒激光器1用于产生飞秒脉冲，飞秒脉冲经过聚焦透镜3聚焦后由于非线性克尔效应和等离子体散焦效应，会在目标流场中自聚焦形成一条一维等离子体通道，该通道为预电离区域；纳秒激光器2产生的纳秒脉冲经过二项色镜4后，与飞秒激光光束在空间上重合，再经过轴锥镜5聚焦后作用在飞秒激光自聚焦成丝所形成的预电离区域上，具体聚焦方式如图3合束光路所示，纳秒激光经二向色镜反射，再经轴锥镜聚焦在等离子体通道上产生零级贝塞尔光束诱发多点击穿产生用于测速的击穿等离子体亮斑，最后用CCD相机6记录击穿等离子体亮斑的位置信息。

以射流流场为例，其测量过程如CCD成像测速如图2所示，CCD相机6两次拍摄捕捉固定时间间隔内等离子体亮斑的空间位移，最后所得图像数据通过计算机处理获得位置变化，即位移信息，最后用位移除以图像拍摄时的时间间隔即可获得流场对应位置的速度信息。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。