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 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, l

-.нт«» 1 нм

ы и« ми

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4259889/27 (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, А.M.

Самсонов, И.В. Семенова и Е.В, Сокуринскэя (53) 621.791.72 (088;8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 12271.85, кл. А 61 В 17/22, 1986.

Международная заявка PCT 85/03631, кл. А 61 В 17/22, 1985, фиг;3. (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 конкрементов в теле человека. Цель изобреИзобретение относится к технической физике,и может быть использовано в машиностроении, приборостроении, в медицине для диагностики и для ударного раздробления конкрементов втеле 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 01 фокусирующим элементом; на фиг.3 — зависимость расстоя„, Ж,, 1695898 Al (я)ю А 61 В 17/22, В 23 К 26/00 тен ия — 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. Выполнеwe 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. ния d от отношения радиусов кривизны

R) Q) — вогнутой и выпуклой сферических поверR2 хностей фокусирующего элемента, где d — (Р . расстояние от вогнутой поверхности элемента до точки фокусировки удары он волны. а у = n>/n2 — отношение показателей преломления прозрачной среды и материала фокусирующего элемента; на фиг.4 — схема фокусировки лазерного излучения в точке

02 и ударной волны в точке 01 для неосевого фокусирующего элемента.

Устройство содержит импульсный лазер 1, телескопическую систему 2, ячейку 3 с прозрачной средой, фокусирующий эле1695898 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 02, где происходит оптический пробой прозрачной среды. При этом возникают сферические ударные волны, распространяющиеся во всех направлениях от точки 02. Часть ударных волн отражается от вогнутой поверхности 5 линзы 4 и фокусируется в точке 01, в которую устанавливают обрабатываемый объект 8 (фиг,2 и 4). Расстояние б (м) от вогнутой поверхности 5 линзы 4 до точки 01 фокусировки ударных волн может быть определено иэ соотношения

R1 82 — 1

2d t(R2 — R1)+(1 — у)гц где y = —, n1 и n2 — показатели преломлеll!

A2 ния среды и материала линзы 4 соответственно;

L — средняя толщина линзы,4 (м);

Я! и йг — радиусы кривизны вогнутой и выпуклой поверхностей 5 и 6 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 пг линзы 4 и прозрачной среды n1„в которой создается ударная волна. Проанализируем (1) для случая близких значений показателей преломления п1 и nz (этот случай реализуется, например, для системы

"вода-стекло", n1 " 1,33, n2 = 1,5), Введение параметра е - 1 — y «1 и разложение формулы (1) в ряд по степеням е с точностью до слагаемых первого порядка позволяет получить простую связь между величинами R1, R2 и 1

2б Rz Н1} (2) у R1R2

Зависимость расстояния d от отношеR1 ния радиусов кривизны — приведена на

R2 фиг.З.

10 Легко показать, что справедливы следующие оценки d, При 0 « — 1 — у, 0 < d < —, т.е, точка

R1 R1

Яг 2 фокусировки ударной волны находится между фокусом 01 вогнутой поверхности 5 и линзой 4.

При 1 - y (— < (1 + y), — (d (—, й! R! R2

R2 2 2 таким образом, точка фокусировки ударной волны лежит между фокусами 01 и 02 вогнутой и выпуклой поверхностей 5 и 6 линзы 4, R1 причем если — = 1 — y, то точка фокусиR2 ровки ударных волн совпадает с фокусом

01, а при — = (1+ y) с фокусом Ог выпукR1 -1

R2 лой поверхности 6, т.е. оптический пробой и фокусировка ударных волн происходит в одной

З0 итойжеточке. Наконец, если(1+ у) « — 1, -1 R1

R2 то d > —, т,е. точка фокусировки ударных

R2

2 волн лежит эа фокусом 02.

К важным параметрам технической реализации работы предложенного устройства относится энергия и мощность лазерного .импульса, а также волновые сопротивления прозрачной среды Z1 и твердого материала

40 линзы 4 5. Основные критерии подбора этих параметров следующие: амплитуда проведшей в твердом теле ударной волны не должна превышать порог пластичности материала, т.е, воздействие ударной волны

45 на фокусирующий элемент не должно сопровождаться пластическим течением и, тем более, разрушением фокусирующего элемента. Кроме того, для более полного использования мощности ударной волны, 50 генерируемой лазерным излучением, коэф- .

ZZ — Z1 г фициент Р! = отражения удар22+Ь ной волны по интенсивности должен быть достаточно высок. Для этого необходимо, 55 чтобы волновые сопротивления Z1 и Z2 были связаны соотношением,/ — Z2 — Е1 (7, Z2+Z1 Ро

1695898 где ст — предел текучести твердого материала, н/м2;

Ро — амплитудное давление в ударной волне на границе прозрачной среды и твердого тела, н/м2;

Z1= р1 С1, Z2=p2 С2, р1 иp2 плотности прозрачной среды и твердого тела, к /м;

С1 и С2 — 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, получаем

21 72 < 21. (4)

Таким образом, для любой прозрачной среды (жидкости или газа) с волновым сопротивлением Z1 можно с помощью таблиц, содержащих данные по характеристикам р1 р2, С1, С2 и п, указать ряд твердых прозрачных материалов с волновым сопротивлением Z2, удовлетворяющим последнему ограничению (4), причем воздействие ударной волны на фокусирующий узел, вопервых, 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!

ОГМ-20 (энергия в импульсе E> = 0,2 Дж, длительность r = 15 — 20 нм), сфокусированным при помощи линзы с отражающим сло ем (радиус кривизны вогнутой поверхности

R1 = 2,2 см, радиус кривизны выпуклой по30

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, 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 сфереческими поверхностями и зеркальным покрытием на выпуклой поверхности и установлен вогнутой поверхностью к лазеру. верхности R2 = 6 см. средняя толщина L =- 0,3 мм) из стекла К-8 (п2 = 1,51), помещенного в ячейку 3 с бидистиллятом воды (n1 = 1.33).

Излучение лазера 1 расширяется трех5 кратной 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

10 на выпуклой поверхности 6, 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 фокусиру15 ется вогнутой поверхностью 5 линзы 4 в точку 01, отстоящую от точки 02 на расстоянии 4-5 мм, При заданных параметрах Ел, т, Я1 и R2, показателе политропы, равном 1,26, и сечении лазерного луча в месте оптическо20 го пробоя S 10 м, а также учитывая, -7 2 что p1= 10 кгlм, С1 = 1,43 . 10 м/с. Z1 =

= 1,43 10 кг/м с), p2 = 2,5. -10 кгlм, С2 =

= 5,6 10 м/с, Z2 = 14 10 кг/(м с), о = 2

=7,8 10 Нlм, давление Ро на границе раздела жидкости и твердого тела достигает величины порядка 10 Н/м2. Тогда при a=

=0,1 оба неравенства (3), очевидно, выполнены

0,03 <27, Z2+ Z1 так как справедливо (Z2 —.Z1)/(Z2+Z1) = 0.81

1695898

1695898

@ue4

Составитель Л.Назарова

Техред М.Моргентал Корректор В.Гирняк

Редактор В.Данко

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

Заказ 4248 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5