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 02 и ударной волны в точке Oi фокусирующим элементом; на фиг.З - зависимость расстояния d от отношения радиусов кривизны

Ri

- вогнутой и выпуклой сферических поверхностей фокусирующего элемента, где d - расстояние от вогнутой поверхности элемента до точки фокусировки ударной волны, а у П1/П2 - отношение показателей преломления прозрачной среды и материала фокусирующего элемента; на фиг.4 - схема фокусировки лазерного излучения в точке 02 и ударной волны в точке Oi для неосевого фокусирующего элемента.

Устройство содержит импульсный лазер 1, телескопическую систему 2, ячейку 3 с прозрачной средой, фокусирующий элеО

о ся

00

ю

00

мент, выполненный в виде выпукло-вогнутой линзы 4 со сферическими вогнутой и выпуклой поверхностями 5 и 6, с зеркальным покрытием 7 на выпуклой поверхности 6 и установленный вогнутой поверхностью 5 к лазеру 1 (фиг.1).

Выполнение фокусирующего элемента в виде выпукло-вогнутой линзы 4 со сферическими поверхностями и с зеркальным покрытием 7 на выпуклой поверхности 6 технически более просто. В этом и заключается упрощение конструкции устройства и его юстировки.

Устройство работает следующим образом.

Излучение лазера 1 после преобразования телескопической системой 2 проходит через оптически прозрачную среду в ячейке 3, преломляется на вогнутой поверхности 5 линзы 4 и падает на зеркальное покрытие 7, от которого переотражается в обратном направлении. Затем излучение лазера 1 вторично преломляется на вогнутой поверхности 5 и фокусируется в точке МЗа, где происходит оптический пробой прозрачной среды. При этом возникают сферические ударные волны, распространяющиеся во всех направлениях от точки Оз. Часть ударных волн отражается от вогнутой поверхности 5 линзы 4 и фокусируется в точке Oi, в которую устанавливают обрабатываемый объект 8 (фиг.2 и 4). Расстояние d (м) от вогнутой поверхности 5 линзы 4 до точки 01 фокусировки ударных волн может быть определено из соотношения

yRi -Rz

2d(R2-Ri)+(1-y)2L

- 4

ГЦ

где у - , т и па - показатели преломления среды и материала линзы 4 соответственно;

L - средняя толщина линзы.4 (м);

RI и Ra - радиусы кривизны вогнутой и выпуклой поверхностей 5 и б линзы 4 (м).

Математическое равенство (1) получено из соотношения для инвариантов Аббе в случае преломления и отражения лучей на сферических поверхностях 5 и 6 с учетом разницы показателей преломления материала па линзы 4 и прозрачной среды щ, в которой создается ударная волна. Проанализируем (1) для случая близких значений показателей преломления шил (этот случай реализуется, например, для системы вода-стекло, m 1,33, nz 1,5).

Введение параметра е 1 - у 1и разложение формулы (1) в ряд по степеням

е с точностью до слагаемых первого порядка позволяет получить простую связь между величинами RI, R2 и L 2d(R2

-Ri) 1

(2)

yRiR2 Зависимость расстояния d от отноше0

5

0

RI

кривизны т приведена

на

ния радиусов

фиг.З.

Легко показать, что справедливы следующие оценки d,

у, 0 d -у-, т.е. точка

фокусировки ударной волны находится между фокусом Oi вогнутой поверхности 5 и линзой 4.

RI , „ . .л-1 RI ., R2

При 0 |± 1

R2

d При1-у Ј(1+уГ1,2 , 2

таким образом, точка фокусировки ударной волны лежит между фокусами Oi и 02 вогнутой и выпуклой поверхностей 5 и 6 линзы 4,

RI

причем если 1 - у, то точка фокуси ровки ударных волн совпадает с фокусом 5п.

СИ.алри (1+

д-1

yf1 с фокусом 02 выпук

лой поверхности б, т.е. оптический пробой и фокусировка ударных волн происходит в одной

30 и той же точке. Наконец, если (1+ у)1 - 1,

К2

то d -- , т.е. точка фокусировки ударных

волн лежит за фокусом 02.

К важным параметрам технической реализации работы предложенного устройства относится энергия и мощность лазерного импульса, а также волновые сопротивления прозрачной среды Zi и твердого материала линзы 4 Z2. Основные критерии подбора этих параметров следующие: амплитуда прошедшей в твердом теле ударной волны не должна превышать порог пластичности материала, т.е. воздействие ударной волны на фокусирующий элемент не должно сопровождаться пластическим течением и, тем более, разрушением фокусирующего элемента. Кроме того, для более полного использования мощности ударной волны, генерируемой лазерным излучением, коэф/7 -7

фициент Pi I - I отражения ударной волны по интенсивности должен быть достаточно высок. Для этого необходимо, 55 чтобы волновые сопротивления Zi и Z2 были связаны соотношением

35

40

45

50

я

где Стг - предел текучести твердого материала, н/м2;

Ро - амплитудное давление в ударной волне на границе прозрачной среды и твердого тела, н/м ;

Zi pi Ci, 7.2 pi C2, pi и pi- плотности прозрачной среды и твердого тела, к2/м3;

Ci и Са - скорости звука в прозрачной среде и в твердом теле, м/с, соответственно;

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

Разрешая условие (3) относительно волнового сопротивления твердого тела, по- лучаем

Zi Z2

h

2 PO-OV

Zi.

Таким образом, для любой прозрачной среды (жидкости или газа) с волновым сопротивлением Zi можно с помощью таблиц, содержащих данные по характеристикам Р1./92, Ci, C2 и Or указать ряд твердых прозрачных материалов с волновым сопротивлением Z2, удовлетворяющим последнему ограничению (4), причем воздействие ударной волны на фокусирующий узел, йо- первых, не вызовет разрушения фокусирующего узла, так как амплитуда волны давления будет меньше порога пластичности материала твердого тела, и, во-вторых, эффективность фокусирующего устройства будет достаточно велика.

В качестве примера применения изобретения рассмотрим фокусировку сферической ударной волны, возбужденной лазерным излучением после оптического пробоя бидистиллята воды. Сферическая ударная волна возбуждается при оптическом пробое жидкости в точке 02 (фиг.4), вызванном излучением рубинового лазера I ОГМ-20 (энергия в импульсе Ел 0,2 Дж, длительность т 15-20 нм), сфокусирован- ным при помощи линзы с отражающим слоем (радиус кривизны вогнутой поверхности RI 2,2 см, радиус кривизны выпуклой по

5

10

15

20

45 25

30

35

40

верхности R2 6 см, средняя толщина L 0,3 мм) из стёкла К-8 (п2 1,51), помещенного в ячейку 3 с бидистиллятом воды (т 1.33).

Излучение лазера 1 расширяется трехкратной телескопической системой 2, состоящей из двух линз (фокусное расстояние 5 и 15 см), и направляется в ячейку 3 с жидкостью. В ячейке расположена фокусирующая линза 4 с зеркальным покрытием 7 на выпуклой поверхности б, которая фокусирует лазерное излучение в точке 02, находящейся на расстоянии 2,7 см от вогнутой поверхности 5 линзы 4. Исходящая из этой точки сферическая ударная волна фокусируется вогнутой поверхностью 5 линзы 4 в точку Oi, отстоящую от точки 02 на расстоянии 4-5 мм. При заданных параметрах Ел, т, RI и Ra, показателе политропы, равном 1,26, и сечении лазерного луча в месте оптического пробоя S 10 м , а также учитывая, что /91 103кг/м3, Ci 1,43 103м/с, Zi 1,43 10б кг/м2с), рг 2,5- -103 кг/м3, С2 5,6 103 м/с, Z2 14- 106 кг/(м2с). От 7,8 10 Н/м2, давление Р0 на границе раздела жидкости и твердого тела достигает величины порядка 106 Н/м2. Тогда при а 0,1 оба неравенства (3), очевидно, выполнены

0,03 Г1 27,

Z2+Z1

так как справедливо

(Z2-Zi)/(Z2+Zi) 0.81

Формула изобретения Устройство для получения сфокусированных ударных волн в прозрачной среде, содержащее импульсный лазер, ячейку с прозрачной для лазерного излучения средой и узел фокусировки 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 сфереческими поверхностями и зеркальным покрытием на выпуклой поверхности и установлен вогнутой поверхностью к лазеру.

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 подается на ячейку с прозрачной средой. Фокусирующий элемент, выполненный в виде выпукло-вогнутой линзы со сферическими поверхностями и с зеркальным покрытием на выпуклой поверхности, установлен вогнутой поверхностью к лазеру. Он служит для фокусировки лазерного излучения в прозрачной среде в точку, в которой в результате оптического пробоя прозрачной среды возникает сферическая ударная волна. Вогнутая поверхность линзы фокусирует ударные волны на установленном в положении фокуса обрабатываемом объекте. Выполнение фокусирующего элемента в виде линзы со сферическими поверхностями и зеркальным покрытием является более простым по сравнению с линзой Френеля с эллиптической и асферической прерывистой поверхностями, что и упрощает конструкцию устройства. 4 ил. Ё

t

cpue.i

фиа.2.

/

О

Ot

I

Редактор В.Данко

Составитель Л.Назарова Техред М.Моргентал

фиг А

Корректор В.Гирняк