Устройство для получения сфокусированных ударных волн в прозрачной среде

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК с

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4259888/27 (22) 12,06,87 (46) 07.12.91. Бюл. М 45 (71) Физико-технический институт им. А.Ф.

Иоффе (72) Г.В. Дрейден, Ю,И. Островский, АМ.

Самсонов. И.B. Семенова и Е,В. Сокуринская (53) 621,791.72 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 1227185, кл. А 61 В 17/22, 1986. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СФОКУСИРОВАННЫХ УДАРНЫХ ВОЛН В ПРОЗРАЧНОЙ СРЕДЕ (57) Изобретение относится к технической физике и может быть использовано в машиностроении, приборостроении, медицине для диагностики и ударного раздробления

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 01 и сферической ударной волны в точке 02 в прозрачной среде выпукловогнутой линзой со сферическими поверхностями.

„„ 0„„1695897 Al (si)s А 61 В 17/22, В 23 К 26/00 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 ударн ые волны на установленном в положении фокуса 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.

Устройство содержит импульсный 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 системои 2 проходит! о

,(Jll СО

1, ()

1 ! !

3 »

1695897 через оптически прозрачную среду в ячейке

3 и фокусируется линзой 4 в точке 01, где происходит оптический пробой прозрачной среды. При этом возникают сферческие ударные волны, распространяющиеся во всех направлениях о точки 01. Часть ударных волн отражается от вогнутой поверхности 5 линзы 4 и фокусируется в точке Gz, в которую может быть установлен обрабатываемый объект.

Расстояние d (м) от вогнутой поверхности 5 линзы 4 до точки Ог фокусировки ударных волн может быть определено из соотношения

Яг ,— =1 ((+y)R1 (1-y)Rz-(1-y) -L) (1)

П1, где у пг п1 и пг — 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 учетом разницы показателей преломления материала фокусирующего узла пг и прозрачной среды п1, в которой создается ударная волка. Рассмотрим возможные взаимные расположения точки 01 фокусировки лазерного излучения и образования ударной волны и точки Ог фокусировки ударной волны (01 отстоит от вогнутой поверхности фокусирующего узла на расстояние а = y RzR1/(1-у)(-В 1+ Rz+ (1-y)L), а точка Ог — на заданном расстоянии d). Легко показать, что справедливы следующие оценки для d: при (R; "- ",1- y) L Rz > (1- ф б < а, Y.e. точка Ог фокусировки ударной волны лежит между линзой и точкой 01 фокусировки лазерного излучения. При (R1-(1- y)zL)/Rz < (1- y), d >а, т.е. точка Gz фокусировки ударной волны расположена эа точкой 01 фокусировки лазерного излучения, Наконец, в случае строгого равенства (R1-(1- y) L)/Rz = (1- y), d=a, т.е. точки 01 и Ог совпадают.

К важным параметрам технической реализации работы предложенного устройства относятся энергия и мощность лазерного импульса, а также волновые сопротивления прозрачной среды Z1 и твердого тела Zz, 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 сопро5 вождаться ее пластическим течением, тем более разрушением. Кроме того, козффициг

Zz-21 ент р1 — отражения ударной

2г +21

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

Для этого необходимо, чтобы волновые сопротивления Z1 и 2г были связаны соотношением уа 1< — — 1, (2)

2г +21 Ро где % — предел текучести материала линзы, Н г

Ро — амплитудное давление в ударной волне на границе прозрачной среды и линН эы,— г

21= р1 С1,2г=рг Сг; р1 и рг — плотности прозрачной среды и кг

30 материала линзы, —; м

С1 и Сг — скорости звука в прозрачной

* среде и в твердом теле, м; с а — заданное и минимальное значение коэффициента отражения ударных волн по интенсивности.

Разрешая условие (2) относительно волнового сопротивления Zz твердого тела, 4() получаем

Ъ 2г < 71 (3)

Таким образом, для любой прозрачной среды (жидкости или газа) с волновым сопротивлением Z1 можно с помощью таблиц, содержащих данные по характеристикам ог,p1, jog, С1 и Сг, указать ряд твердых про5п зрачных материалов с волновым сопротивлением Zz, удовлетворяющим ограничению (3), причем воздействие ударной волны на линзу, во-первых, не вызовет ее разрушения, так как амплитуда ударной волны дав55 ления будет меньше порога пластичности материала линзы, и, во-вторых, эффективность фокусирующего устройства будет достаточно велика.

В качестве примера применения изобретения рассмотрим фокусировку сфери1695897 ческой ударной волны, возбужденной после оптического пробоя бидистиллята воды.

Сферическая ударная волна возбуждается при оптическом пробое жидкости в точке 01 (фиг.2)„вызванном излучением рубинового лазера 1 типа ОГМ-20 (энергия излучения в импульсе Ед = 0,2 Дж, длительность импульса t = 15-20 нс), сфокусированном при помощи фокусирующей линзы 4 (радиус кривизны выпуклой поверхности линзы Rp =

=1,6 см, радиус кривизны вогнутой поверхности линзы R2 = 15 см, толщина линзы L =

= 0;2 см) из стекла К-8 (параметры: п2-1,51, += 2,5 10 кг/м, Сг = 5,6 . 10 м/с, о =

=7,8 10 Н/м, 72 = 14 10 кг (м с)), помещенного в кювету 3 с бидистиллятом Н О (параметры: n = 1,33, р1 = 10 кг/мз, С =

=1,43 10 м/с,21=1,43 10 кг/(м с).

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 01, находящейся на расстоянии а = 14,2 см от вогнутой поверхности линзы, Исходящая из этой точки сферическая ударная волна фокусируется вогнутой поверхностью линзы 4 в точку Ог (d = 16 см).

При заданных параметрах Ел, r, à, R>, Rz. ,О1, показателе политропы, равном 1,26, и

5 сечении лазерно-о луча в месте оптического

-7 пробоя S 10 м давление Р, на границе . раздела жидкости и тве рдого тела дос и гает величины порядка 5 . 10 Н/м . Следовательно, пои а= 0,1 оба неравенства (2) оче10 видно выполнены

003 <46, ег +Z

"5 так как (Ег-Z>)/(Zz+Z>)=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, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с, целью упрощения конструкции устройства и его юстировки, узел фокусировки выполнен в виде выпукловогнутой линзы со сферическими поверхностями, 1695897

Составитель Л.Назарова

Техред М,Моргентал Корректор В.Гирняк

Редактор В.Данко

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 4248 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113635, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5