激光换能装置及其控制方法与流程

1.本发明涉及激光换能器领域，尤其是涉及一种激光换能装置及其控制方法。


背景技术：

2.目前，基于光声效应的激光换能器凭借其非接触性、抗干扰能力强、易于小型化和阵列化的优势在无损检测和成像等领域得到迅速发展。
3.在相关技术中，由于激光换能器的激光器的峰值功率很高，激光照射在激发靶表面产生大量的热，激光换能器工作一段时间后，会对激发靶造成一定程度的损伤，使得激光换能器普遍工作寿命不长。


技术实现要素：

4.本公开实施例提供一种激光换能装置及其控制方法，能够有效降低激光换能器在工作过程中对激发靶造成的损伤，以提高激光换能器的使用寿命。
5.第一方面，本公开实施例提供了一种激光换能装置，该激光换能装置包括：激光产生器和金属激发靶；所述激光产生器用于向所述金属激发靶的第一表面发射激光；所述金属激发靶的第一表面在所述激光的作用下产生激波，所述激波在传输过程中形成声波；其中，所述金属激发靶为带正电的金属结构。
6.在一些实施例中，所述激光换能装置还包括透明约束层，所述透明约束层位于所述金属激发靶的第一表面。
7.在一些实施例中，所述透明约束层覆盖所述金属激发靶的第一表面，且所述透明约束层朝向所述金属激发靶的表面与所述第一表面无缝接触。
8.在一些实施例中，所述透明约束层为透明玻璃。
9.在一些实施例中，所述透明约束层沿垂直于所述第一表面的厚度范围为0.5mm至3mm。
10.在一些实施例中，所述金属激发靶沿垂直于所述第一表面的厚度范围为0.5mm至3mm。
11.在一些实施例中，所述激光产生器为固体脉冲激光器。
12.在一些实施例中，所述激光换能装置还包括信号发生器，所述信号发生器用于向所述激光产生器提供不同频率的时序信号，以控制所述激光产生器输出不同重复频率的所述激光，其中每种频率的时序信号对应一种重复频率的所述激光。
13.在一些实施例中，所述激光换能装置还包括控制单元，所述控制单元用于调节所述信号发生器提供的时序信号的频率，以及，调节所述激光产生器的工作电流和/或工作电压。
14.在一些实施例中，所述激光换能装置还包括设置于所述激光产生器和所述金属激发靶之间的激光扩束与聚焦电路，所述激光产生器输出的所述激光经由所述激光扩束与聚焦电路的扩束与聚焦后传输至所述金属激发靶的第一表面。
15.在一些实施例中，所述激光扩束与聚焦电路包括扩束透镜、聚焦透镜以及反射镜；所述激光产生器输出的所述激光经由所述扩束透镜的扩束后传输至所述聚焦透镜，并经由所述聚焦透镜的聚焦后输出至所述反射镜，经由所述反射镜反射至所述金属激发靶的第一表面。
16.第二方面，本公开实施例提供一种激光换能装置的控制方法，该激光换能装置包括激光产生器和金属激发靶；该控制方法包括：向所述金属激发靶施加正电极电压，以使所述金属激发靶带正电；控制所述激光产生器向所述金属激发靶的第一表面发射激光，所述金属激发靶的第一表面在所述激光的作用下产生激波，所述激波在传输过程中形成声波。
17.本公开实施例所提供的激光换能装置及其控制方法的技术方案中，金属激发靶的第一表面接收到激光产生器输出的激光后，金属激发靶表面的金属原子的核外电子由于吸收激光能量逃逸原子核的束缚，发生电离而形成带正电的金属等离子体，由于相互之间的强排斥作用，使得金属等离子体发生杂乱无章的运动，产生大量的热量并且迅速膨胀外爆，从而在金属激发靶的第一表面产生激波。而带正电的金属结构能够通过库仑力作用提高对核外电子的束缚，使得金属原子的核外电子吸收激光能量后，难以逃逸原子核的束缚，从而降低了金属等离子体存在的时间，降低了金属等离子体之间不规则的热运动效应，降低了金属等离子体的热运动产生的热量，进而有效改善了对金属激发靶造成的损伤，能够起到保护金属激发靶的作用，有效延长了激光换能装置的工作寿命。
附图说明
18.图1为本公开实施例提供的一种激光换能装置的结构示意图；
19.图2为本公开实施例提供的一种激光换能装置的工作原理示意图；
20.图3为本公开实施例提供的一种激光换能装置的控制方法的流程示意图。
具体实施方式
21.为使本领域的技术人员更好地理解本公开实施例的技术方案，下面结合附图对本公开实施例提供的激光换能装置及其控制方法进行详细描述。
22.在下文中将参考附图更充分地描述示例实施例，但是所述示例实施例可以以不同形式来体现且不应当被解释为限于本文阐述的实施例。反之，提供这些实施例的目的在于使本公开透彻和完整，并将使本领域技术人员充分理解本公开的范围。
23.本文所使用的术语仅用于描述特定实施例，且不意欲限制本公开。如本文所使用的，单数形式“一个”和“该”也意欲包括复数形式，除非上下文另外清楚指出。还将理解的是，当本说明书中使用术语“包括”和/或“包含”时，指定存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其群组。
24.将理解的是，虽然本文可以使用术语第一、第二等来描述各种元件/结构，但这些元件/结构不应当受限于这些术语。这些术语仅用于区分一个元件/结构和另一元件/结构。
25.除非另外限定，否则本文所用的所有术语(包括技术和科学术语)的含义与本领域普通技术人员通常理解的含义相同。还将理解，诸如那些在常用字典中限定的那些术语应当被解释为具有与其在相关技术以及本公开的背景下的含义一致的含义，且将不解释为具
有理想化或过度形式上的含义，除非本文明确如此限定。
26.在相关技术中，由于激光换能器的激光器的峰值功率很高，激光照射在激发靶表面产生大量的热，激光换能器工作一段时间后，会对激发靶造成一定程度的损伤，使得激光换能器普遍工作寿命不长。
27.为此，本公开实施例提出了一种激光换能装置，图1为本公开实施例提供的一种激光换能装置的结构示意图，如图1所示，本公开实施例提供一种激光换能装置，该装置包括激光产生器3和金属激发靶71。
28.其中，该激光产生器3用于向金属激发靶71的第一表面m发射激光；金属激发靶71的第一表面m在激光的作用下产生激波，激波在传输过程中形成声波；其中，金属激发靶71为带正电的金属结构。
29.在本公开实施例中，金属激发靶71的第一表面m接收到激光产生器3输出的激光后，金属激发靶71表面的金属原子的核外电子由于吸收激光能量逃逸原子核的束缚，发生电离而形成带正电的金属等离子体，由于相互之间的强排斥作用，使得金属等离子体发生杂乱无章的运动，产生大量的热量并且迅速膨胀外爆，从而在金属激发靶71的第一表面m产生激波。而带正电的金属结构能够通过库仑力作用提高对核外电子的束缚，使得金属原子的核外电子吸收激光能量后，难以逃逸原子核的束缚，从而降低了金属等离子体存在的时间，降低了金属等离子体之间不规则的热运动效应，降低了金属等离子体的热运动产生的热量，进而有效改善了激光照射对金属激发靶71造成的损伤，能够起到保护金属激发靶71的作用，有效延长了激光换能装置的工作寿命。
30.在一些实施例中，激光产生器3为固体脉冲激光器，固体脉冲激光器用于发射脉冲激光。示例性的，固体脉冲激光器可以采用具有高重复频率的固体脉冲激光器，例如，掺钕钇铝石榴石(nd：yag)固体脉冲激光器。采用高重复频率固体脉冲激光器发射高重复频率的脉冲激光至金属激发靶71表面，以产生所需的连续声波，其中，固体脉冲激光器所输出的脉冲激光的重复频率可调节，通过调节固体脉冲激光器所输出的脉冲激光的重复频率可以改变激光换能装置产生的连续声波的频率。
31.在一些实施例中，固体脉冲激光器所输出的脉冲激光的波长范围可以为500纳米(nm)至1064纳米(nm)，脉冲宽度范围可以为1皮秒(ps)至50皮秒(ps)，单脉冲能量范围可以为1μj至500μj，重复频率范围可以为1hz至1mhz。
32.示例性的，脉冲激光的波长为532纳米，脉冲宽度为15ps，单脉冲能量为100μj，重复频率为1hz至200khz之间的任意值，且重复频率是可调节的。
33.在一些实施例中，固体脉冲激光器的工作电流可以是0a至60a之间(含60a)的任意值，且固体脉冲激光器的工作电流是可调节的。
34.在一些实施例中，固体脉冲激光器的工作电压可以是0v至10v之间(含10v)的任意值，且固体脉冲激光器的工作电压是可调节的。
35.在一些实施例中，如图1所示，激光换能装置还包括信号发生器2，信号发生器2与激光产生器3连接，信号发生器2用于向激光产生器3提供不同频率的时序信号，以控制激光产生器3输出不同重复频率的激光，其中每种频率的时序信号对应一种重复频率的激光，其中时序信号可以是正弦波信号。在一些实施例中，信号发生器2提供的时序信号的频率与激光产生器3输出激光的重复频率一致。通过信号发生器2可以向激光产生器3提供所需频率
的时序信号，以控制激光产生器3输出所需重复频率的激光。
36.在一些实施例中，时序信号的频率范围可以为1hz至200khz，时序信号的频率为1hz至200khz之间的任意值，且时序信号的频率是可调的。
37.在一些实施例中，激光换能装置还包括控制单元1，控制单元1与信号发生器2连接，且与激光产生器3连接，控制单元1用于调节信号发生器2提供的时序信号的频率，以及，调节激光产生器3的工作电流和/或工作电压。
38.其中，控制单元1通过调节信号发生器2向激光产生器3提供的时序信号的频率，以使激光产生器3产生所需重复频率的激光。控制单元1通过调节激光产生器3的工作电流和/或工作电压，以改变激光产生器3的功率，从而改变输出单脉冲激光的能量。在实际应用中，一个脉冲激光聚焦在金属激发靶71上可以产生一个脉冲声波，脉冲声波的幅值与单脉冲激光的能量成正相关，因此改变激光产生器3输出的单脉冲激光的能量可调节激光换能装置产生的声波的幅值。
39.在一些实施例中，激光换能装置还包括设置于激光产生器3和金属激发靶71之间的激光扩束与聚焦电路，激光产生器3输出的激光经由激光扩束与聚焦电路的扩束与聚焦后传输至金属激发靶71的第一表面m。通过激光扩束与聚焦电路对激光产生器3输出的激光进行扩束和聚焦后再传输至金属激发靶71，可以有效提高激光照射在金属激发靶表面的聚焦焦点s的光功率密度，以使金属激发靶71能够基于光声效应的等离子体机制产生所需声波。
40.在一些实施例中，如图1所示，激光扩束与聚焦电路包括扩束透镜4、聚焦透镜5以及反射镜6，激光产生器3输出的激光经由扩束透镜4的扩束后传输至聚焦透镜5，并经由聚焦透镜5的聚焦后输出至反射镜6，经由反射镜6反射至金属激发靶71的第一表面m。
41.具体地，扩束透镜4设置于激光产生器3的输出端处，用于接收激光产生器3输出的激光并进行扩束处理；聚焦透镜5设置于扩束透镜4的远离激光产生器3的一侧，用于接收经由扩束透镜4输出的激光并进行聚焦处理；反射镜6设置于聚焦透镜5的远离扩束透镜4的一侧，用于将经由聚焦透镜5输出的激光反射至下方的金属激发靶71的第一表面m。
42.在一些实施例中，扩束透镜4的放大倍数范围可以为3倍至5倍，可以确保对激光产生器3输出的激光的扩束效果，以有效提高激光传输至金属激发靶71的第一表面m上的聚焦焦点s的光功率密度。
43.在一些实施例中，聚焦透镜5的焦距范围可以为100毫米至500毫米，可以确保对激光的聚焦效果，以有效提高激光传输至金属激发靶71的第一表面m上的聚焦焦点s的光功率密度。在一些实施例中，聚焦透镜5可以是非球面聚焦透镜。
44.在一些实施例中，反射镜6朝向聚焦透镜5设置的反光面与下方的金属激发靶71的第一表面m之间的夹角为45
°
，以使经由聚焦透镜5输出的激光经由反射镜6反射后以垂直或近似垂直于第一表面m的角度入射至第一表面m，以提高激光传输至金属激发靶71的第一表面m的聚焦焦点s的光功率密度。在一些实施例中，反射镜6为平面反射镜。
45.其中，聚焦焦点s为经过扩束和聚焦的激光在金属激发靶71的第一表面m形成的光学聚焦焦点s。
46.在一些实施例中，激光产生器3输出的激光的光束直径范围可以为1毫米至4毫米，例如，激光产生器3输出的激光的光束直径为2.5毫米。通过激光扩束与聚焦光路的扩束与
聚焦作用，能够将激光的光斑直径聚焦到4微米至16微米，例如，经激光扩束与聚焦光路的扩束与聚焦作用，激光的光斑直径为10微米。其中，扩束透镜4用于增大激光的光束直径，聚焦透镜5用于减小激光的光束直径。
47.在一些实施例中，如图1所示，激光换能装置还包括透明约束层72，透明约束层72位于金属激发靶71的第一表面m，透明约束层72覆盖金属激发靶71的第一表面m，且透明约束层72朝向金属激发靶71的表面与第一表面m无缝接触，即透明约束层72朝向金属激发靶71的表面紧密贴附于金属激发靶71的第一表面m上。
48.其中，透明约束层71能够用于阻挡金属激发靶71的第一表面m上的金属原子的核外电子逃逸，从而有效降低金属激发靶71的表面m受激光作用产生的等离子体的热运动效应，降低金属激发靶71的表面m产生的热量，从而有效改善了激光照射对金属激发靶71造成的损伤，能够起到保护金属激发靶71的作用，且有效延长了激光换能装置的工作寿命，且由于透明约束层72朝向金属激发靶71的表面与第一表面m无缝接触，因此可以有效防止空气进入对金属激发靶71的表面氧化腐蚀。
49.在一些实施例中，可以采用在透明约束层72的表面进行镀膜的方式形成金属膜，以作为金属激发靶71，从而可以确保透明约束层72朝向金属激发靶71的表面与第一表面m无缝连接接触。
50.在一些实施例中，透明约束层72可以采用高绝缘性的、耐高温的、具有一定硬度的透明材料形成。示例性的，透明约束层72可以为透明玻璃，例如，透明石英玻璃。
51.在一些实施例中，透明约束层72沿垂直于第一表面m的厚度范围可以为0.5毫米(mm)至3毫米(mm)，例如，透明约束层72沿垂直于第一表面m的厚度可以设置为1毫米(mm)。
52.在一些实施例中，金属激发靶71可以由金属材料构成，金属材料例如可以是铜、铝、钢等金属材料。
53.在一些实施例中，金属激发靶71沿垂直于第一表面m的厚度范围可以为0.5毫米(mm)至3毫米(mm)，例如，金属激发靶71沿垂直于第一表面m的厚度可以设置为1毫米。
54.在一些实施例中，金属激发靶71沿垂直于第一表面m的厚度与透明约束层72沿垂直于第一表面m的厚度相同。
55.在一些实施例中，金属激发靶71与透明约束层72的形状相同，且大小相同。
56.示例性的，金属激发靶71的形状可以为圆片状，金属激发靶71的直径范围可以为10毫米(mm)至100毫米(mm)，例如金属激发靶71的直径为60毫米(mm)。
57.示例性的，透明约束层72的形状可以为圆片状，透明约束层72的直径范围可以为10毫米(mm)至100毫米(mm)，例如透明约束层72的直径为60毫米(mm)。
58.图2为本公开实施例提供的一种激光换能装置的工作原理示意图，下面结合图1和图2对本公开实施例的激光换能装置的工作原理进行详细说明。
59.如图1和图2所示，激光产生器3输出重复频率可调、单脉冲能量可调的脉冲激光，经过激光扩束与聚焦光路(4、5、6)的扩束和聚焦，聚焦后的脉冲激光8穿过由透明约束层72，辐照在金属激发靶71的第一表面m，金属激发靶71的原子核外电子由于吸收激光能量逃逸原子核的束缚，发生电离，在焦点s处形成带正电的金属等离子体，由于金属等离子体相互之间的强排斥作用，焦点s处的金属等离子体发生杂乱无章的运动，产生大量的热并且迅速膨胀外爆，在金属激发靶71的表面的焦点s处形成瞬间爆炸气化区9，并在瞬间爆炸气化
区9瞬间气化爆炸产生激波10，由于金属激发靶71的刚性远远大于透明约束层72的刚性，激波10的大部分能量会进入透明约束层72，在透明约束层72中传输一段距离后衰减为声波11。
60.一方面，透明约束层72能够有效阻挡电子逃逸金属原子，另一方面，在金属激发靶71上施加正电极电压，使得金属激发靶71带正电，通过库仑力作用来束缚住金属原子的核外电子(带负电)，金属原子的核外电子吸收激光能量后，会很难逃逸原子核束缚，此时，脉冲激光8辐照在金属激发靶71上，在焦点s处激发出金属等离子体，产生激波10，但由于金属原子的核外电子被束缚，因此金属等离子体存在的时间会变短，金属等离子体相互之间不规则的热运动效果会减弱，由此产生的热量会大大减少，从而能够起到保护金属激发靶71的作用，有效延长了激光换能装置的工作时间(寿命)。其中，在金属激发靶71上施加的正电极电压的电势大小在一定范围内可调节，示例性的，金属激发靶71带正电的电势在百伏(v)到千伏(v)之间的范围。
61.根据本公开实施例提供的激光换能装置的技术方案，基于光声效应中表面约束机制，对激光换能装置的金属激发靶进行改造，在金属激发靶上施加正电极电压，使得金属激发靶带正电，从而在激光换能装置的工作过程中能够有效减少金属激发靶的发热，进而减少激光照射对金属激发靶造成的损伤，实现有效延长激光换能装置的工作寿命的目的，且透明约束层和金属激发靶的制作过程简单，对工艺要求较低，系统稳定性强，可行性高。
62.图3为本公开实施例提供的一种激光换能装置的控制方法的流程示意图，如图3所示，本公开实施例还提供一种激光换能装置的控制方法，该激光换能装置可以采用上述任一实施例提供的激光换能装置，该控制方法包括以下步骤：
63.步骤s1，向金属激发靶施加正电极电压，以使金属激发靶带正电。
64.步骤s2，控制激光产生器向金属激发靶的第一表面发射激光，金属激发靶的第一表面在激光的作用下产生激波，激波在传输过程中形成声波。
65.需要说明的是，本公开实施例中，上述步骤s1和步骤s2的执行顺序不局限于先执行步骤s1后执行步骤s2，在一些实施例中，上述步骤s1和步骤s2的执行顺序还可以是在执行步骤s2之后执行步骤s1。
66.在一些实施例中，该控制方法还可以进一步包括：调节激光产生器输出的激光的重复频率的步骤。关于调节激光产生器输出的激光的重复频率的方式可参见上述实施例中相关的描述，此处不再赘述。
67.在一些实施例中，该控制方法还可以进一步包括：调节激光产生器输出的单脉冲激光的能量的步骤。关于调节激光产生器输出的单脉冲激光的能量的方式可参见上述实施例中相关的描述，此处不再赘述。
68.可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本公开的原理而采用的示例性实施方式，然而本公开并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本公开的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本公开的保护范围。