一种产生微型高速射流的测试平台及方法

本发明涉及无针注射、高速射流、激光诱导空化及瞬态流动测试，具体涉及一种利用脉冲激光在注工质毛细管内诱导空化气泡，并驱动毛细管出口产生微型高速射流的测试平台及方法，尤其适用于无针注射尺度下射流形成、射流传播、射流穿透及射流参数调控研究。

背景技术：

1、无针注射技术通过高速液体射流穿透目标介质，实现药液或功能性液体的递送。与传统针头注射相比，无针注射可降低针刺疼痛、减少针头损耗和锐器废弃物，并有利于提高注射过程的安全性与便捷性，在医疗给药、疫苗接种、药物递送、细胞给药及相关实验研究中具有重要应用价值。

2、现有无针注射装置多采用弹簧、压缩气体、压电驱动或电磁驱动等方式产生高速液体射流。该类装置通常能够产生毫米级或亚毫米级射流，但射流速度、射流直径、射流体积和作用时间受机械结构限制较大。当需要进一步研究更小尺度、更短持续时间和更高时空可控性的液体射流时，传统驱动方式在能量输入精度、瞬态响应速度和射流参数调节方面存在不足。

3、激光诱导空化微射流为无针注射尺度下高速射流的产生提供了一种有效方式。短脉冲激光聚焦于充液毛细管内部后，可在焦点附近产生局部空化气泡。空化气泡的快速膨胀在毛细管内形成瞬态压力扰动，并驱动毛细管出口处液体形成微型高速射流。空化气泡的快速膨胀产生瞬态压力扰动，并推动毛细管内液柱运动，从而驱动毛细管出口处液体形成微型高速射流。该方式具有响应时间短、能量输入可调、射流尺度小、易与显微观测系统结合等特点，适合用于无针注射尺度下射流产生机理和参数优化研究。

4、然而，现有微型高速射流实验平台仍存在以下不足：一是脉冲激光能量、焦点位置和毛细管出口状态难以同步精确调节；二是激光焦点与毛细管内壁、出口弯月面之间的相对位置不易观测，导致射流重复性不足；三是缺乏对激光触发、空化产生、射流喷出和高速图像采集过程的统一同步控制；四是难以同时获得射流速度、直径、持续时间、稳定性等关键参数。

5、因此，当前亟需一种能够实现脉冲激光精确调节、毛细管稳定供液、同轴显微定位、高速同步成像和数据处理的一体化微型高速射流测试平台及方法。

技术实现思路

1、（一）要解决的技术问题

2、本发明旨在解决现有微型高速射流实验中存在的激光焦点定位困难、射流产生重复性不足、激光触发与高速成像不同步以及射流参数难以定量测量的问题。

3、（二）技术方案

4、为解决上述问题，本发明提出一种产生微型高速射流的测试平台及方法。其核心思路是：利用脉冲激光在注工质毛细管内诱导空化气泡，通过气泡的快速膨胀与塌缩驱动毛细管出口液体形成微型高速射流；通过同轴显微观测模块实现激光焦点与毛细管出口的精确定位；通过同步触发模块实现激光发射与高速相机采集的时序匹配；通过图像处理模块提取射流速度、直径等关键参数。

5、所述产生微型高速射流的测试平台，包括脉冲激光发生模块、激光能量调节与传输模块、毛细管供液与射流发生模块、同轴显微观测模块、高速图像采集模块以及同步触发与数据处理模块。

6、脉冲激光发生模块包括脉冲激光器2，用于输出脉冲激光。脉冲激光经激光能量调节与传输模块后入射至显微镜物镜18，并由显微镜物镜18聚焦至注工质毛细管19内部。

7、激光能量调节与传输模块包括偏振分光棱镜、半波片、光阑、反射镜和平凸透镜等，通过旋转半波片改变偏振态配合偏振分光棱镜调节激光能量，经光阑限束、反射镜导向和平凸透镜准直或扩束后由显微镜物镜聚焦至毛细管内部。

8、毛细管供液与射流发生模块包括微型注射泵20、连接管路和注工质毛细管19。微型注射泵20用于向注工质毛细管19内稳定供液，注工质毛细管19出口端朝向射流观测区域。实验时，显微镜物镜18将脉冲激光聚焦至注工质毛细管19内部，使液体在焦点附近发生光击穿或局部汽化，产生空化气泡。空化气泡的快速膨胀和塌缩推动毛细管内液柱运动，使毛细管出口处形成微型高速射流。

9、同轴显微观测模块包括led冷光源24、第三平凸透镜23、半反镜22、滤光片25和cmos相机26。led冷光源24发出的照明光经第三平凸透镜23调节后进入半反镜22，并经显微镜物镜18照明注工质毛细管19区域；注工质毛细管19及液体界面产生的反射光或散射光经显微镜物镜18返回，再通过半反镜22和滤光片25进入cmos相机26，滤光片25用于滤除激光以保护cmos相机26。通过该同轴显微观测模块，可实时观察注工质毛细管19的位置、管内液柱、出口弯月面以及激光焦点相对位置。

10、高速图像采集模块包括高速相机28，高速相机28布置于毛细管出口侧方或正交方向，用于采集微型高速射流的喷出、发展、断裂及撞击过程。高速相机28通过触发线与同步器1连接，通过数据线与计算机27连接。

11、同步触发与数据处理模块包括同步器1和计算机27。同步器1分别连接脉冲激光器、高速相机28和cmos相机26，用于设定触发顺序和延时时间。计算机27用于接收高速图像和cmos图像，并对图像序列进行处理，获得射流速度、射流直径、射流长度、射流体积、射流方向偏角、射流破碎时间和重复性等参数。

12、本发明还提供一种基于上述测试平台的微型高速射流产生与测试方法，包括以下步骤：

13、s1，液体工质准备与毛细管安装：将液体工质注入注工质毛细管内，并通过微型注射泵调节毛细管内液体状态，使出口形成稳定弯月面；

14、s2，激光光路搭建与能量调节：通过半波片和偏振分光棱镜调节入射脉冲激光能量，并经光路传输后聚焦至注工质毛细管内部；

15、s3，同轴显微观测与焦点定位：开启led冷光源，利用cmos相机观察注工质毛细管及激光焦点位置，使激光焦点位于毛细管内部预定位置；

16、s4，同步触发与射流产生：通过同步器触发脉冲激光器，使脉冲激光在注工质毛细管内部诱导空化气泡，同时触发高速相机采集毛细管出口处微型高速射流的瞬态图像；

17、s5，图像处理与射流参数计算：计算机对高速图像序列进行处理，获得微型高速射流的速度、直径、长度、运动轨迹、破碎时间参数；

18、s6，无针注射尺度测试：改变脉冲激光能量、毛细管内径、供液量或液体工质性质，获得满足无针注射尺度需求的射流参数。

19、进一步地，所述步骤s4中，通过同步器设置激光触发信号与高速相机采集信号之间的延时，使高速相机在脉冲激光触发前、触发时或触发后按照预设延时进行图像采集。

20、（三）有益效果

21、相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

22、1．本发明利用脉冲激光在注工质毛细管内诱导空化气泡，通过气泡动力学驱动毛细管出口形成微型高速射流，适用于无针注射尺度下射流发生机理研究。

23、2．本发明通过半波片和偏振分光棱镜组合调节进入毛细管区域的激光能量，可系统研究激光能量对空化气泡尺寸、射流速度和射流稳定性的影响。

24、3．本发明通过led冷光源、半反镜、显微镜物镜和cmos相机构成的同轴显微观测系统，可实时观察毛细管和激光焦点位置，提高射流产生的重复性。

25、4．本发明通过同步器统一控制脉冲激光器和高速相机，使激光诱导空化和射流喷出过程与图像采集过程精确匹配，便于获得完整的瞬态射流演化过程。

26、5．本发明通过改变激光能量、毛细管内径、供液量和工质性质，可获得不同速度、尺度和体积的微型高速射流，为微型水射流设计提供实验依据。