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原文传递利用线状脉冲激光模拟弹道冲击并实时监测的装置及方法

专利名称：	利用线状脉冲激光模拟弹道冲击并实时监测的装置及方法
摘要：	本发明公开了一种利用线状脉冲激光模拟弹道冲击并实时监测的装置及方法，装置包括激光输出模块、材料测试模拟模块以及监测模块，所述激光输出模块用于输出所需激光，并将其整形为线状激光，用于在样品材料表面激发出线状声波源，所述材料模拟测试模块用于利用激光模拟材料的弹道冲击测试，所述监测模块用于实时监测样品材料受到激光冲击后，所产生冲击波的传播过程与材料的损伤情况。其提高装甲材料抗弹道冲击测试模拟能力，相比于传统基于子弹等弹道冲击测试，具有快速、经济、实验可重复度高和收集微观瞬态过程信息等优点，可使装甲材料在设计开发的早期迭代设计阶段，减少对实际弹道冲击测试的依赖。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	湖北;42
申请人：	武汉大学
发明人：	曹强;刘胜;聂阳天;高阳;赵宏鸣;杜渐
专利状态：	有效
申请日期：	2019-07-15T00:00:00+0800
发布日期：	2019-11-12T00:00:00+0800
申请号：	CN201910635121.6
公开号：	CN110441125A
代理机构：	北京汇泽知识产权代理有限公司
代理人：	张涛
分类号：	G01N3/02(2006.01);G;G01;G01N;G01N3
申请人地址：	430072湖北省武汉市武昌珞珈山
主权项：	1.一种利用线状脉冲激光模拟弹道冲击并实时监测的装置，其特征在于：包括激光输出模块、材料测试模拟模块以及监测模块，所述激光输出模块用于输出所需激光，并将其整形为线状激光，用于在样品材料表面激发出线状声波源，所述材料模拟测试模块用于利用激光模拟材料的弹道冲击测试，所述监测模块用于实时监测样品材料受到激光冲击后，所产生冲击波的传播过程与材料的损伤情况。 2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述激光输出模块包括脉冲激光器、光参量放大器和整形透镜，所述脉冲激光器、光参量放大器分别与激光输出系统连接，所述激光输出系统根据所模拟子弹大小、质量、速度的不同，控制脉冲激光器输出相应频率、脉宽的激光，以及控制改变激光输出波长，所述整形透镜用于将光参量放大器输出的激光整形为线状激光以在材料测试模拟模块的材料表面激发出线状声波源。 3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：还包括第一反射镜和第二反射镜，所述脉冲激光器输出的激光束通过第一反射镜进入光参量放大器；所述整形透镜输出的线状激光通过第二反射镜进入材料测试模拟模块进行测试模拟。 4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述材料测试模拟模块包括用于固定测试材料的冲击模拟室，所述冲击模拟室的一侧面上设有激光输入孔和监测孔；所述冲击模拟室的内壁涂有吸光涂料；所述冲击模拟室的内壁上固定有用于固定测试材料的载物台；所述冲击模拟室固定有载物台的侧面上固定有防护板；所述载物台为移动载物台，所述移动载物台与载物台控制系统连接。 5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述冲击模拟室由高强度合金搭建而成；所述冲击模拟室顶部设有翻盖门；所述移动载物台固定在防护板上；所述冲击模拟室固定测试材料的侧面与设置激光输入孔和监测孔的侧面相对设置。 6.根据权利要求1或4所述的装置，其特征在于：样品材料包括防护材料，所述防护材料的表面黏附有光吸收涂层，使激光冲击防护材料表面的光吸收涂层时，材料在极短的时间内汽化形成一个高温高压的等离子体层，在材料表面激发出线状声波源；所述防护材料表面上方覆盖镀膜有透明玻璃作为约束层，用于将溅射出的等离子体羽流约束在防护板表面，所述光吸收涂层位于防护材料的表面与约束层之间。 7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述监测模块包括拉曼光谱仪、分光镜、混频干涉仪、超快相机，所述分光镜用于将材料模拟测试模块反馈的信号光分为几部分，一部分光进入拉曼光谱仪，得到材料的拉曼光谱，进而分析其表面温度、内部相变，一部分光通过双色镜反射进入超快相机，对干涉条纹沿声波传播方向进行成像，得到样品材料表面形态变化与冲击波传播过程，一部分光透过双色镜进入混频干涉仪，实时监测沿着声波传播方向产生的超声波波形，监测激光脉冲引起的表面熔化。 8.根据权利要求1至7任一所述的装置，其特征在于：还包括气浮光学平台，整套装置固定在气浮光学平台上；整套装置的各镜片外分别设置有保护罩，整套装置的激光光路上设有保护管道，使激光位于保护管道内传输。 9.一种利用线状脉冲激光模拟弹道冲击并实时监测的方法，其特征在于，包括如下步骤：准备样品材料，将准备好的样品材料放置到冲击模拟室中固定，在正式测试开始前，先通过激光输出系统控制激光输出模块输出设定功率的激光，在冲击模拟室内观察线状激光的大小，移动整形透镜的位置，调整线状激光作用范围，使线状激光聚焦于样品材料表面吸收层，调整完毕后，关闭激光输出模块的激光输出，关闭冲击模拟室；准备就绪之后，根据所模拟子弹大小、质量、速度的不同，通过激光输出系统控制激光输出模块输出相应频率、脉宽、波长的激光；打开监测模块，再打开激光输出模块的闸门，激光束由激光输出模块输出，进入材料测试模拟模块并冲击样品材料，激光冲击防护材料表面的光吸收涂层，材料在极短的时间内汽化形成一个高温高压的等离子体层，该等离子体层迅速往外喷射，由于光吸收涂层的存在，等离子体层的膨胀受到限制，导致其压力迅速升高，结果施于样品材料一个冲击加载，从而在样品材料表面激发出线状声波源，其激发的非线性声波和冲击波可以实现样品材料的断裂和层裂，从而模拟了材料受到子弹冲击的过程；与此同时，材料受到激光冲击后发出的反馈信号光进入分光镜，一部分光进入拉曼光谱仪，进而得到材料的拉曼光谱，另一部分光通过双色镜反射进入超快相机，对干涉条纹沿声波传播方向进行成像，进而得到样品材料表面形态变化与冲击波传播过程，还有一部分光透过双色镜进入混频干涉仪，实时监测沿着声波传播方向产生的超声波波形，进而监测激光脉冲引起的表面熔化，实时监测装甲材料中声波和冲击波的产生和传播过程，以及材料相变、层裂和断裂的损伤演化过程； 10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：将准备好的样品材料放置到冲击模拟室中的移动载物台上并固定，若需要测量样品材料不同部位的防护性能，则可通过激光输出系统控制关闭激光输出闸门，控制材料测试模拟模块中的移动载物台，调整样品材料的位置，在调整到合适位置之后，再次打开激光输出闸门，重复权利要求9所述的模拟步骤；一切反馈信息的测量均在纳秒时间分辨率下。
所属类别：	发明专利