液體泡沫對(duì)激光的透射衰減性能分析

李志剛，時(shí)家明

(脈沖功率激光技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230037)

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液體泡沫對(duì)激光的透射衰減性能分析

李志剛，時(shí)家明

(脈沖功率激光技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230037)

液體泡沫作為一種新的寬波段無(wú)源干擾手段，對(duì)激光具有透射衰減作用。探討了單個(gè)液泡和液體泡沫層對(duì)激光的透射衰減機(jī)理，進(jìn)行了液體泡沫的激光透射衰減性能實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)液體泡沫層對(duì)1.06 μm激光具有較強(qiáng)的衰減能力，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了液體泡沫層厚度、泡沫中心尺寸、泡沫類型等因素對(duì)激光透射衰減性能的影響。研究結(jié)果對(duì)于液體泡沫的激光干擾運(yùn)用具有指導(dǎo)意義。

液體泡沫;激光干擾;激光透射;衰減

0 引 言

隨著激光技術(shù)的飛速發(fā)展，激光精確制導(dǎo)武器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)，由于具有精度高、價(jià)格低、抗電磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，它對(duì)各類軍事和經(jīng)濟(jì)目標(biāo)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。傳統(tǒng)的對(duì)抗激光制導(dǎo)的手段包括煙幕以及隱身涂層等，但它們都有各自的不足制約了其應(yīng)用范圍。煙幕的持續(xù)時(shí)間通常較短，而隱身涂料為了滿足多波段的兼容性往往性能較差。液體泡沫是一種新興的寬波段無(wú)源干擾手段，在目標(biāo)和入射激光之間形成一定厚度的液體泡沫，利用泡沫層獨(dú)特的成分和結(jié)構(gòu)，通過(guò)無(wú)規(guī)則反射、吸收、散射等作用使入射激光被衰減，從而降低對(duì)方激光測(cè)距和激光制導(dǎo)的準(zhǔn)確性，提高目標(biāo)的生存概率。這種方法具有使用方便、成本低、作用波段寬、時(shí)間長(zhǎng)、效果好、無(wú)毒和無(wú)污染等特點(diǎn)[1]，在激光對(duì)抗方面顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，受到了越來(lái)越多的關(guān)注。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)液體泡沫產(chǎn)生、穩(wěn)定性以及與光波的相互作用方面開(kāi)展了相關(guān)的研究。日本的伊滕光一在20世紀(jì)70年代就已研究了表面粘度對(duì)液體泡沫壽命的影響[2]，美國(guó)的Friberg在1975年發(fā)現(xiàn)含有液晶相的溶液能產(chǎn)生較穩(wěn)定的液體泡沫[3]，李作鋒等研究了表面活性劑混合體系的起泡性和液體泡沫穩(wěn)定性[4]，瑞典的Blomberg Folke Ivar于1980年發(fā)明了水基液體泡沫偽裝裝置[5]，可對(duì)紅外～微波范圍的電磁波均產(chǎn)生良好的衰減作用，美國(guó)麻省理工大學(xué)專家研究了海面液體泡沫的散射、吸收特性[6]，大連艦艇學(xué)院金良安等人基于S-4液體發(fā)煙劑制備了一種液體泡沫云[7]，能對(duì)紅外、激光及毫米波有較好的衰減。電子工程學(xué)院張瑋等從理論上計(jì)算了液體泡沫懸空體對(duì)1.06 μm和10.6 μm激光的消光性能,并根據(jù)Mie氏理論研究了單個(gè)液體泡沫球的消光性能[8]。

然而，對(duì)液體泡沫激光衰減的系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)研究還缺乏報(bào)道，研究分析液體泡沫的激光衰減性能及其影響因素，可為今后液體泡沫激光防護(hù)應(yīng)用提供指導(dǎo)。本文在概述液體泡沫對(duì)激光衰減機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了液體泡沫對(duì)激光的透射衰減性能，并分析了液體泡沫厚度、中心尺寸、有無(wú)添加紅外干擾劑等因素對(duì)激光透射衰減性能的影響。

1 液體泡沫激光透射衰減概述

液體泡沫是一種氣體在液體中的分散體系，由許多密集的小液泡堆積在一起，構(gòu)成一群多面體液泡，液泡間被一層液體薄膜所隔開(kāi)。一般來(lái)說(shuō)，液泡外層的液膜厚度在幾微米到幾十納米之間，每個(gè)液泡通常具有不同的曲率半徑。液體泡沫對(duì)激光具有反射、散射和吸收作用[9]，如圖1所示。

圖1 激光通過(guò)單個(gè)液泡衰減示意圖

液體泡沫的特殊球面結(jié)構(gòu)和多面體結(jié)構(gòu)是產(chǎn)生激光強(qiáng)烈衰減的重要原因。透射光強(qiáng)隨光線穿過(guò)泡沫液膜界面的次數(shù)指數(shù)衰減，透射能量迅速下降；液體泡沫的特殊結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了這種衰減效應(yīng)，使得泡沫液膜與光線作用幾率增大，導(dǎo)致傳播方向上激光能量銳減。

可見(jiàn)，液體泡沫對(duì)激光透射衰減性是反射、吸收和散射共同作用的效果，如圖2所示。

圖2 激光通過(guò)液體泡沫衰減群示意圖

對(duì)某一特定波長(zhǎng)λ，液體泡沫對(duì)激光透射衰減效果可以用衰減比值ηλ來(lái)表示:

(1)

式中:Pλ為波長(zhǎng)為λ時(shí)的激光入射總功率；Pηλ為波長(zhǎng)為λ時(shí)液體泡沫衰減后的激光輻射功率；Pτλ為波長(zhǎng)為λ時(shí)透過(guò)液體泡沫層的激光功率。

2 液體泡沫激光透射衰減性能實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

實(shí)驗(yàn)原理與裝置如圖3所示。由1.06μm激光器發(fā)射信號(hào)，電荷耦合器件(CCD)光譜儀作為激光接收器，接收透過(guò)液體泡沫層的激光信號(hào)。1.06μm激光由Nd:YAG高穩(wěn)定固體激光器產(chǎn)生，輸出功率為10W，光束質(zhì)量約為2mR，采用水冷系統(tǒng)；CCD光譜儀采用線陣CCD高靈敏度探測(cè)器，靈敏波段為0.25～25μm，功率響應(yīng)范圍為1～10W，數(shù)據(jù)采集卡采集速率5 000 點(diǎn)/s；液體泡沫容器由透明玻璃材料構(gòu)成，液體泡沫由可調(diào)節(jié)泡沫出口尺寸的發(fā)泡裝置產(chǎn)生。同時(shí)，采用粒徑分析系統(tǒng)測(cè)量泡沫的中心尺寸，定義液體泡沫的中心尺寸為85%以上的液體泡沫粒徑小于該尺寸。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備性能，對(duì)衰減比值公式進(jìn)行了簡(jiǎn)化：

(2)

式中:ν0為無(wú)液體泡沫層時(shí)激光透射的信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度值;ν1為經(jīng)液體泡沫衰減后的激光透射信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度值。

圖3 液體泡沫層激光信號(hào)透射衰減性能實(shí)驗(yàn)原理圖

2.2 實(shí)驗(yàn)因素分析

實(shí)驗(yàn)中主要考慮泡沫的中心尺寸、泡沫層厚度、泡沫類型3個(gè)相關(guān)因素。將實(shí)驗(yàn)分成3類：(1)固定中心尺寸和泡沫類型，評(píng)估不同泡沫層厚度時(shí)的激光透射衰減性能；(2)固定泡沫層厚度和中心尺寸，評(píng)估不同泡沫類型時(shí)的激光透射衰減性能；(3)固定泡沫層厚度和泡沫類型，評(píng)估不同中心尺寸時(shí)的激光透射衰減性能。

實(shí)驗(yàn)中選取參數(shù)為：(1)中心尺寸選取8mm和15mm。依據(jù)文獻(xiàn)，液體泡沫中心尺寸越小，透射衰減效果越好，但存在的問(wèn)題是依據(jù)實(shí)驗(yàn)所用發(fā)泡裝置中心尺寸越小的泡沫越難以控制其生成，因此選擇較容易生成的中心尺寸為8mm和15mm的泡沫。(2)泡沫層厚度選取2cm、3cm和4cm。對(duì)于中心尺寸為8mm的泡沫，泡沫層之間分別包含2個(gè)、3個(gè)和5個(gè)泡沫。泡沫層太厚會(huì)使透射信號(hào)太弱而使測(cè)量誤差增大。(3)泡沫類型選取普通泡沫和添加干擾劑的泡沫。添加紅外干擾劑的目的是增強(qiáng)紅外衰減效果。此外，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還要特別考慮發(fā)射器與容器之間的距離以及激光光斑的大小等因素。

3 結(jié)果與分析

3.1 激光透射衰減效果

實(shí)驗(yàn)測(cè)得激光透過(guò)泡沫層厚度為2cm、中心尺寸為15mm、未添加紅外干擾物的普通液體泡沫層時(shí)的衰減效果如圖5、圖6所示。

圖4 無(wú)液體泡沫時(shí)激光透射信號(hào)強(qiáng)度值

圖5 有液體泡沫時(shí)激光透射信號(hào)強(qiáng)度值

圖5為CCD光譜儀測(cè)得的無(wú)液體泡沫層時(shí)激光透射信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度值，圖6為CCD光譜儀測(cè)得的有液體泡沫層時(shí)激光透射信號(hào)的相對(duì)強(qiáng)度值。從圖5中可以看出，無(wú)液體泡沫層時(shí)激光信號(hào)通過(guò)透明裝置后相對(duì)強(qiáng)度為3 000。從圖6可以看出，有液體泡沫層時(shí)激光信號(hào)通過(guò)液體泡沫層后相對(duì)強(qiáng)度為450，相對(duì)強(qiáng)度比值為15%，衰減比值為85%。

圖6 激光透射衰減比根據(jù)泡沫層厚度變化曲線圖

當(dāng)泡沫層厚度為4cm、中心尺寸為8mm、添加紅外干擾物時(shí)，液體泡沫透射衰減性能最好。放置泡沫層后，得到的激光信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度值為300，相對(duì)強(qiáng)度比值為1%，衰減比值為99%。

結(jié)果顯示，液體泡沫層對(duì)1.06μm激光信號(hào)有較強(qiáng)的衰減能力。

3.2 液體泡沫層衰減有效性分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總并處理，得到液體泡沫對(duì)激光透射衰減變化曲線圖，如圖7所示。其中不同中心尺寸液體泡沫采用不同的線型來(lái)表示不同的泡沫類型，A泡沫為普通泡沫，B泡沫為添加1號(hào)干擾劑泡沫，C泡沫為添加2號(hào)干擾劑泡沫。

分析圖中曲線變化趨勢(shì)，可得到如下規(guī)律：

(1) 液體泡沫厚度對(duì)激光透射衰減比影響最大。從圖7可看出，3cm厚的液體泡沫激光透射衰減率都超過(guò)90%，5cm厚的液體泡沫激光透射衰減率都在95%以上，液體泡沫層厚度較大時(shí)，液體泡沫層激光衰減效果較好，衰減比值最大可差別9%，最小為5%。較厚的液體泡沫層中液體泡沫數(shù)量較多，對(duì)激光有較好的衰減作用。

(2) 液體泡沫尺寸對(duì)激光透射衰減影響效果顯著。以A泡沫為例，兩曲線差值較大，說(shuō)明中心尺寸為8mm的液體泡沫激光透射衰減明顯好于15mm的液體泡沫，衰減比值最大差別6%，最小為3%。液體泡沫尺寸較小，單位體積內(nèi)液體泡沫數(shù)量較多，泡沫層結(jié)構(gòu)更加細(xì)密，對(duì)入射激光的散射與吸收作用也更復(fù)雜，對(duì)激光的衰減效果較好。

(3) 液體泡沫類型對(duì)激光透射衰減的影響效果一般。液體泡沫對(duì)激光的透射衰減機(jī)理在于其特殊的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。但相較而言，添加紅外干擾劑的液體泡沫層激光衰減效果要好于不添加紅外干擾劑的，因?yàn)榧t外干擾劑是為增強(qiáng)液體泡沫紅外波段干擾效果而添加的特殊物質(zhì)，它對(duì)1.06μm激光也有衰減作用，從而增強(qiáng)了液體泡沫對(duì)激光的衰減。

(4) 對(duì)比上述結(jié)論，分析各因素對(duì)激光透射衰減性能的影響，影響最大的是液體泡沫層厚度，其次是液體泡沫中心尺寸，最后是液體泡沫類型。因此，在使用液體泡沫進(jìn)行激光干擾時(shí)，為達(dá)到作戰(zhàn)效果，液體泡沫層必須要滿足一定厚度(至少4cm以上)。另外，研制液體泡沫干擾裝備時(shí)要求產(chǎn)生的液體泡沫中心尺寸盡可能小，來(lái)提高其衰減性能。同時(shí)，尋求更為有效的紅外干擾劑也很重要。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了液體泡沫的激光透射衰減性能，發(fā)現(xiàn)液體泡沫具有較強(qiáng)的激光衰減能力，同時(shí)采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方法分析了泡沫厚度、泡沫中心尺寸、泡沫類型3個(gè)因素對(duì)激光透射衰減性能的影響，發(fā)現(xiàn)液體泡沫厚度對(duì)衰減性能影響最大。實(shí)驗(yàn)結(jié)論對(duì)液體泡沫激光對(duì)抗應(yīng)用具有指導(dǎo)作用。

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Analysis of Attenuation Performance of Liquid Foam to Laser Transmission

LI Zhi-gang,SHI Jia-ming

(State Key Laboratory of Pulsed Power Laser Technology,Hefei 230037,China)

As a new way of passive broad-band jamming,the liquid foam has attenuation effect to laser transmission.This paper discusses the attenuation mechanism of single isolated bubble and complex foam to laser transmission,carries through the experiments of foam's attenuation performance to laser transmission,finds out that the liquid foam layer has stronger attenuation capability to 1.06 laser,analyzes the influence of foam's various factors such as thickness of liquid foam layer,size of foam center,foam type,etc.on the attenuation performance of laser transmission according to the experiment result.The study result has guidance meaning to the laser jamming application of liquid foam.

liquid foam;laser jamming;laser transmission;attenuation

2015-01-27

TN977

A

CN32-1413(2015)04-0017-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.04.005