一种记录强激光辐照效应中靶目标动态响应的方法及系统

1.本发明涉及激光与物质相互技术领域中的一种记录靶目标动态响应过程的方法，具体是一种记录强激光辐照效应中靶目标动态响应的方法及系统。


背景技术：

2.在激光与物质相互作用研究领域中，达到靶目标的激光功率密度通常较高、作用时间较短。一般采用高速相机记录激光辐照时靶目标的动态响应过程，以便回放详细观察动态响应过程，为揭示激光与靶目标相互作用时的主要物理机制提供数据支撑。
3.目前，在开展强激光辐照效应试验研究时常采用高速相机直接记录靶目标的动态响应过程，或者用新闻灯照明靶目标后再用高速相机记录。采用上述方法记录靶目标的动态响应过程时，由于被强激光辐照区域的温度会急剧升高，发生熔化、气化、树脂材料的分解及燃烧等宏观现象，发出耀眼的亮光，通常无法通过调节高速相机的性能参数(如快门、光圈等)或在相机镜头前加衰减片(衰减严重会导致背景太暗)有效解决饱和问题，进而无法有效获取靶目标的动态响应过程。


技术实现要素：

4.针对目前通常采用高速相机记录激光辐照效应中靶目标的动态响应时相机容易饱和，无法有效获取靶目标动态响应过程的问题，本发明提供一种记录强激光辐照效应中靶目标动态响应的方法及系统，能够有效地解决相机饱和问题，且容易实现。
5.为实现上述目的，本发明提供一种记录强激光辐照效应中靶目标动态响应的方法，通过照明激光照亮强激光辐照区域来压制靶目标发出的亮光，再在高速相机镜头前安装仅可透照明激光光谱的窄带通光片，最后用高速相机记录靶目标的动态响应过程，进而有效地解决高速相机饱和问题。
6.在其中一个实施例中，所述方法具体包括如下步骤：
7.s1、安装窄带照明激光器及配套的光束控制系统，使窄带照明激光器发射的照明激光经光束控制系统变换后照射到靶目标上高速相机待拍摄区域；
8.s2、安装高速相机，使靶目标上待拍摄的区域位于高速相机的视场内；
9.s3、在高速相机镜头前安装窄带通光片及其夹持装置，其中，窄带通光片仅可透窄带照明激光器发射的光谱；
10.s4、通过调节高速相机和/或窄带通光片，使高速相机在照明激光作用下对感兴趣区域清晰成像且不饱和；
11.s5、用高速相机记录强激光辐照时靶目标的动态响应过程，获得未饱和、清晰的录像视频。
12.在其中一个实施例中，步骤s1中，窄带照明激光器的中心波长λ应在高速相机的响应波段内且易实现较高功率输出，且窄带照明激光器的谱宽δλ在能够压制辐射亮光的前提下保持最小。
13.在其中一个实施例中，步骤s4中，照明激光在靶目标上的功率密度大于靶目标在照明波长范围内的辐射出射度。
14.在其中一个实施例中，所述照明激光在靶目标上的功率密度大于靶目标在照明波长范围内的辐射出射度，具体为：
15.s41、将靶目标视为黑体，当其绝对温度为t时，在波长(λ-δλ)～(λ δλ)范围内的辐射出射度其中，c为光速，h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数；
16.s42、为有效压制靶目标发出的亮光，控制窄带照明激光器使照射到靶目标上的照明激光功率密度大于靶目标在波长(λ-δλ)～(λ δλ)范围内的辐射出射度i。
17.为实现上述目的，本发明还提供一种记录强激光辐照效应中靶目标动态响应的系统，所述系统包括：
18.辐照激光器，用于产生强辐照激光束；
19.辐照光束控制系统，用于对辐照激光器输出的光束进行变换，控制靶面处的辐照激光光斑尺寸；
20.高速相机，用于记录靶目标的动态响应过程；
21.窄带通光片及其夹持装置，用于控制进入相机光瞳内的照明光谱能量；
22.靶目标环境模拟装置，用于模拟被辐照靶目标所处的环境状态；
23.靶目标，强激光辐照效应物；
24.照明激光器，用于产生照明激光束；
25.照明光束控制系统，用于对照明激光器输出的光束进行变换，控制照亮靶目标的范围。
26.相较于现有技术，本发明具有如下有益技术效果：
27.1、本发明通过引入照明激光照亮强激光辐照区域来压制靶目标由于高温辐射、燃烧等发出的亮光，其次在高速相机镜头前安装仅可透照明激光光谱的窄带通光片，最后再用高速相机记录靶目标的动态响应过程；
28.2、本发明解决了激光与物质相互作用研究领域中，用高速相机记录靶目标动态响应过程时经常出现且难以克服的饱和问题，可为深入研究激光与靶目标的相互作用机理提供重要数据支撑。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
30.图1为本发明实施例中记录强激光辐照效应靶目标动态响应的方法流程图；
31.图2为本发明实施例中记录强激光辐照效应靶目标动态响应的系统结构示意图。
32.附图标号：辐照激光器1、辐照光束控制系统2、高速相机3、窄带通光片及其夹持装置4、靶目标环境模拟装置5、靶目标6、照明激光器7、照明光束控制系统8。
33.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
36.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
37.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
38.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
39.为了解决高速相机记录激光辐照效应中靶目标的动态响应时相机容易饱和，无法有效获取靶目标动态响应过程的问题，本实施例公开的一种记录强激光辐照效应中靶目标动态响应的方法。该方法通过照明激光照亮强激光辐照区域来压制靶目标由于高温辐射、燃烧等发出的亮光，再在高速相机镜头前安装仅可透照明激光光谱的窄带通光片，最后用高速相机记录靶目标的动态响应过程，进而有效地解决高速相机饱和问题，且容易实现。参考图1，该方法具体包括如下步骤s1-s5。
40.s1、根据事先制定的强激光辐照试验方案，安装窄带照明激光器(如中心波长λ＝532nm，谱宽δλ＝
±
2nm)及配套的光束控制系统，使窄带照明激光器发射的照明激光经光束控制系统变换扩束后均匀照射到靶目标上高速相机的待拍摄区域，其中，窄带照明激光器的中心波长λ应在高速相机的响应波段内且易实现较高功率输出，且窄带照明激光器的谱宽δλ在能够压制辐射亮光的前提下保持最小。与窄带照明激光器配套的光束控制系统主要包括介质膜凸面高反镜、介质膜凹面高反镜等部件，其实施方式为常规技术手段，因此不再赘述。
41.s2、安装高速相机，使靶目标上待拍摄的区域位于高速相机的视场内。
42.s3、在高速相机镜头前安装窄带通光片及其夹持装置，其中，窄带通光片仅可透窄带照明激光器发射的光谱，防止靶目标发射的其它光谱能量及辐照激光能量进入高速相机光瞳。
43.s4、根据强激光辐照区域可能出现的最高温度t及照明激光参数(波长λ
±
δλ)，确定照射到靶目标上的照明激光强度(功率密度)，使得照明激光在靶目标上的功率密度大于
靶目标在照明波长范围内的辐射出射度，并通过调节高速相机和/或窄带通光片，使高速相机在照明激光作用下对感兴趣区域清晰成像且不饱和。
44.在具体实施过程中，估算到达靶目标需要的照明激光功率密度，使得照明激光在靶目标上的功率密度大于靶目标在照明波长范围内的辐射出射度的具体实施方式为：
45.s41、将靶目标视为黑体，当其绝对温度为t时，在波长(λ-δλ)～(λ δλ)范围内的辐射出射度其中，c＝2.998
×
108m/s为光速，h＝6.626
×
10-34
j﹒s为普朗克常数，k＝1.3806505
×
10-23
j/k为玻尔兹曼常数。当t＝1000℃，λ＝532nm，δλ＝10nm时，可计算得到对应的辐射出射度i1＝1.05
×
10-5
w/cm2；当t提高到3000℃时，λ和δλ保持不变时，辐射出射度i2＝4.6w/cm2；当t仍为3000℃，λ仍为532nm，δλ减小到2nm时，辐射出射度i3＝0.9w/cm2。
46.s42、为有效压制靶目标发出的亮光(即辐射出射度)，控制窄带照明激光器使照射到靶目标上的照明激光功率密度大于靶目标在波长(λ-δλ)～(λ δλ)范围内的辐射出射度i。
47.对于调节高速相机和/或窄带通光片，使高速相机在照明激光作用下对感兴趣区域清晰成像且不饱和的具体实施方式，则为：调节高速相机的焦距、快门、曝光量、窄带通光片透过率或在成像镜头前设置衰减片等手段，使高速相机在照明激光作用下对感兴趣区域清晰成像且不饱和。
48.s5、用高速相机记录强激光辐照时靶目标的动态响应过程，获得未饱和、清晰的录像视频。
49.该方法，通过引入照明激光照亮强激光辐照区域来压制靶目标由于高温辐射、燃烧等发出的亮光，其次在高速相机镜头前安装仅可透照明激光光谱的窄带通光片，最后再用高速相机记录靶目标的动态响应过程。解决了激光与物质相互作用研究领域中，用高速相机记录靶目标动态响应过程时经常出现且难以克服的饱和问题，可为深入研究激光与靶目标的相互作用机理提供重要数据支撑。
50.参考图2，本实施例还公开了一种记录强激光辐照效应中靶目标动态响应的系统，该系统主要包括：
51.辐照激光器1，用于产生强辐照激光束，辐照激光束相对于后面的照明激光束；
52.辐照光束控制系统2，用于对辐照激光器输出的光束进行变换，控制靶面处的辐照激光光斑尺寸；
53.高速相机3，用于记录靶目标的动态响应过程；用于记录强激光束辐照时靶目标的动态响应过程；其中优选地，高速相机为可见光高速相机，且相机入瞳轴线应尽量与强激光辐照区域垂直；进一步优选地，为准确确定强激光辐照靶目标的起、止时刻，可在相机视场内放置与辐照激光同步出光、关闭的指示光源，指示光源的光谱范围应尽量与照明激光光谱一致；
54.窄带通光片及其夹持装置4，用于控制进入相机光瞳内的照明光谱能量；其中优选地，还可以通过在镜头前设置衰减片来控制进入相机光瞳内的照明光谱能量，考虑到强激光辐照区域由于高温、燃烧等发射的光谱有一部分会进入高速相机，衰减片的增减以相机拍摄的视频图像为其动态范围的一半为宜；
55.靶目标环境模拟装置5，用于模拟被辐照靶目标所处的环境状态，如气流模拟装置、真空腔体等；其中优选地，靶目标环境模拟装置需具有与辐照激光、照明激光及高速相机配备的光学窗口；
56.靶目标6，强激光辐照效应物；
57.照明激光器7，用于产生照明激光束；其中优选地，以可实现窄光谱范围、高功率输出的可见光连续波激光器为最优选择；
58.照明光束控制系统8，用于对照明激光器输出的光束进行变换，控制照亮靶目标的范围。
59.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。