Устройство для получения сфокусированных ударных волн в прозрачной среде Советский патент 1991 года по МПК A61B17/225 B23K26/00 B23K26/04 

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано в машиностроении, приборостроении, в медицине для диагностики и для ударного раздробления конкрементов в теле человека, в химической технологии для инициирования и стимулирования химических процессов и фазовых превращений.

Цель изобретения - упрощение конструкции устройства и его юстировки.

На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства; на фиг.2 - схема фокусировки лазерного излучения в точке Oi и сферической ударной волны в точке Оа в прозрачной среде выпукловогнутой линзой со сферическими поверхностями

Устройство содержит импупьсный лазер 1, телескопическую систему 2, ячейку 3 с прозрачной средой, выпукло-вогнутую линзу 4 со сферическими поверхностями (фиг.1).

Выполнение фокусирующего узла в виде выпукло-вогнутой линзы со сферическими поверхностями технически более просто по сравнению с изготовлением линзы Френеля с эллиптической и асферической прерывистой поверхностями В этом и заключается упрощение конструкции устройства.

Устройство работает следующим образом.

Излучение лазера 1 после преобразования телескопической системой 2 проходит

|О

ч

СЛ

ю ч

через оптически прозрачную среду в ячейке 3 и фокусируется линзой 4 в точке Oi, где происходит оптический пробой прозрачной среды. При этом возникают сферческие ударные волны, распространяющиеся во всех направлениях о точки OL Часть ударных волн отражается от вогнутой поверхности 5 линзы 4 и фокусируется в точке Оа, в которую может быть установлен обрабатываемый объект.

Расстояние d (м) от вогнутой поверхности 5 линзы 4 до точки 02 фокусировки удар- ных волн может быть определено из соотношения

d(1 +y)Ri-(1-y)R2-(1-y)

1,

где

П2

щ и П2 - показатели преломления прозрачной среды и материала линзы соответственно;

L - средняя толщина линзы, м;

d - заданное расстояние от вогнутой поверхности линзы до точки фокусировки ударных волн, м.

Математическое равенство (1) получено из соотношения для инвариантов Аббе в случае преломления и отражения лучей на сферической поверхности 5 с учегом разницы показателей преломления материала фокусирующего узла ла и прозрачной среды n i, которой создается ударная волна. Рассмотрим возможные взаимные расположения точки Oi фокусировки лазерного излучения м образования ударной волны и точки 02 фокусировки ударной волны (Oi отстоит от вогнутой поверхности фокусирующего узла на расстояние а yR2Ri/(1- -у X-RI+ Ra+ (1-y)Lj, а точка Oz - на заданном расстоянии d). Легко показать, что справедливы следующие оценки для d: при (R - {1- y)2t/R2 (1- у), d а, т.е. точка 02 фокусировки ударной волны лежит между линзой и точкой О) фокусировки лазерного излучения. При (Rr-{1- (1- у), d a, т.е. точка Ог фокусировки ударной волны расположена за точкой Oi фокусировки лазерного излучения. Наконец, в случае строгого равенства (Rt-{1- $2l)/R2 0 У)- г.е. точки Oi и 02 совпадают.

К важным параметрам технической реализации работы предложенного устройства относятся энергия и мощность лазерного импульса, а также волновые сопротивления прозрачной среды Zi и твердого тела Za, из которого выполнена линза 4. Основные критерии подбора этих параметров следующие:

амплитуда прошедшей в твердое тело ударной волны не должна превышать порог пластичности материала, т.е., воздействие ударной волны на линзу 4 не должно сопро- вождаться ее пластическим течением, тем более разрушением. Кроме того, коэффици/Ч 2

ент pi I , отражения ударной

волны по интенсивности должен быть достаточно высок (это позволяет наиболее полно использовать мощность ударной волны, генерируемой лазерным излучением).

Для этого необходимо, чтобы волновые сопротивления Zi л7з. были связаны соотношением

(2)

.Zz + Zi Ро 2Q где 0т - предел текучести материала линзы, Н

Л

м

Ро - амплитудное давление в ударной волне на границе прозрачной среды и линзы,4: . м

Z1 ,Z2-/% С2, плотности прозрачной среды и

кг материала линзы, - ;

MJ Ci и С2 - скорости звука в прозрачной

среде и в твердом теле, - ;

с

а - заданное и минимальное значение коэффициента отражения ударных волн по интенсивности.

Разрешая условие (2) относительно волнового сопротивления Z2 твердого тела, получаем

« Of i -т -- - , т -,гп

lyj

Таким образом, для любой прозрачной среды (жидкости или газа) с волновым сопротивлением Zf можно с помощью таблиц, содержащих данные по характеристикам Or./Я,/32, Ci и С2, указать ряд твердых прозрачных материалов с волновым сопротивлением Z2, удовлетворяющим ограничению (3), причем воздействие ударной волны на линзу, во-первых, не вызовет ее разрушения, так как амплитуда ударной волны давления будет меньше порога пластичности материала линзы, и, во-вторых, эффективность фокусирующего устройства будет достаточно велика.

В качестве примера применения изобретения рассмотрим фокусировку сферической ударной волны, возбужденной после оптического пробоя бидистиллята воды. Сферическая ударная волна возбуждается при оптическом пробое жидкости в точке Oi (фиг.2)„ вызванном излучением рубинового лазера 1 типа ОГМ-20 (энергия излучения в импульсе Ел 0,2 Дж, длительность импульса Т 15-20 не), сфокусированном при помощи фокусирующей линзы 4 (радиус кривизны выпуклой поверхности линзы RI 1,6 см, радиус кривизны вогнутой поверхности линзы R2 15 см, толщина линзы L 0,2 см) из стекла К-8 (параметры: ,51, /Эг 2,5 103 кг/м3, С2 5,6 103 м/с, 7,8 107 Н/м2 Z2 14 10е кг (м2с)), помещенного в кювету 3 с бидистиллятом Н20 (параметры: п 1,33, p 103 кг/м3, Ci 1,43 103 м/с, Zi 1,43 106 кг/(м2с).

Излучение лазера 1 расширяется трехкратной телескопической системой 2, состоящей из двух линз (фокусные расстояния 5 и 15 см), и направляется в ячейку с жидкостью 3. В ячейке расположена фокусирующая линза 4, которая фокусирует лазерное излучение в точке Oi, находящейся на расстоянии а 14,2 см от вогнутой поверхности линзы. Исходящая из этой точки сферичеСри.1

ская ударная волна фокусируется вогнутой поверхностью линзы 4 в точку 02 (d 16 см}. При заданных параметрах Ел, т, a, RI R2. , показателе политропы, равном 1,26, и

сечении пазерного луча в месте оптического пробоя S давление Р0 на границе раздела жидкости и твердого тела дост игает величины порядка 5 10б Н/м2. Следовательно, при а- 0,1 оба неравенства (2) очевидно выполнены

0,03

Zg-Zi Z2+Zi

4,6

так как (Z2-Zi)/(Z2+Zi) 0,81.

Формула изобретения Устройство для получения сфокусированных ударных волн в прозрачной среде, содержащее импульсный лазер, ячейку с прозрачной средой для лазерного излучения и сферических ударных волн, отличающееся тем, что, с целью упрощения конструкции устройства и его юстировки, узел фокусировки выполнен в виде выпукло- вогнутой линзы со сферическими поверхностями.

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано в машиностроении, приборостроении, медицине для диагностики и ударного раздробления конкрементов в теле человека. Цель изобретения - упрощение конструкции устройства Излучение импульсного лазера падает на ячейку с прозрачной средой. Фокусирующая выпукло-вогнутая линза со сферическими поверхностями фокусирует лазерное излучение в точку, в которой в результате оптического пробоя прозрачной среды возникает сферическая ударная волна. Вогнутая поверхность линзы фокусирует ударные волны на установленном в положении фо куса обрабатываемом объекте. Выполение фокусирующей линзы со сферическими поверхностями является более простым по сравнению с линзой Френеля с эллиптической и асферической прерывистой поверхностями, что и упрощает конструкцию устройства. 2 ил. ЈЛ С

фиг 2