液體泡沫對激光的透射衰減性能分析

李志剛，時家明

(脈沖功率激光技術(shù)國家重點實驗室，合肥 230037)

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液體泡沫對激光的透射衰減性能分析

李志剛，時家明

(脈沖功率激光技術(shù)國家重點實驗室，合肥 230037)

液體泡沫作為一種新的寬波段無源干擾手段，對激光具有透射衰減作用。探討了單個液泡和液體泡沫層對激光的透射衰減機理，進行了液體泡沫的激光透射衰減性能實驗，發(fā)現(xiàn)液體泡沫層對1.06 μm激光具有較強的衰減能力，根據(jù)實驗結(jié)果分析了液體泡沫層厚度、泡沫中心尺寸、泡沫類型等因素對激光透射衰減性能的影響。研究結(jié)果對于液體泡沫的激光干擾運用具有指導意義。

液體泡沫;激光干擾;激光透射;衰減

0 引 言

隨著激光技術(shù)的飛速發(fā)展，激光精確制導武器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代戰(zhàn)場，由于具有精度高、價格低、抗電磁干擾能力強等特點，它對各類軍事和經(jīng)濟目標構(gòu)成了嚴重威脅。傳統(tǒng)的對抗激光制導的手段包括煙幕以及隱身涂層等，但它們都有各自的不足制約了其應(yīng)用范圍。煙幕的持續(xù)時間通常較短，而隱身涂料為了滿足多波段的兼容性往往性能較差。液體泡沫是一種新興的寬波段無源干擾手段，在目標和入射激光之間形成一定厚度的液體泡沫，利用泡沫層獨特的成分和結(jié)構(gòu)，通過無規(guī)則反射、吸收、散射等作用使入射激光被衰減，從而降低對方激光測距和激光制導的準確性，提高目標的生存概率。這種方法具有使用方便、成本低、作用波段寬、時間長、效果好、無毒和無污染等特點[1]，在激光對抗方面顯示出獨特的優(yōu)勢，受到了越來越多的關(guān)注。

國內(nèi)外學者對液體泡沫產(chǎn)生、穩(wěn)定性以及與光波的相互作用方面開展了相關(guān)的研究。日本的伊滕光一在20世紀70年代就已研究了表面粘度對液體泡沫壽命的影響[2]，美國的Friberg在1975年發(fā)現(xiàn)含有液晶相的溶液能產(chǎn)生較穩(wěn)定的液體泡沫[3]，李作鋒等研究了表面活性劑混合體系的起泡性和液體泡沫穩(wěn)定性[4]，瑞典的Blomberg Folke Ivar于1980年發(fā)明了水基液體泡沫偽裝裝置[5]，可對紅外～微波范圍的電磁波均產(chǎn)生良好的衰減作用，美國麻省理工大學專家研究了海面液體泡沫的散射、吸收特性[6]，大連艦艇學院金良安等人基于S-4液體發(fā)煙劑制備了一種液體泡沫云[7]，能對紅外、激光及毫米波有較好的衰減。電子工程學院張瑋等從理論上計算了液體泡沫懸空體對1.06 μm和10.6 μm激光的消光性能,并根據(jù)Mie氏理論研究了單個液體泡沫球的消光性能[8]。

然而，對液體泡沫激光衰減的系統(tǒng)性實驗研究還缺乏報道，研究分析液體泡沫的激光衰減性能及其影響因素，可為今后液體泡沫激光防護應(yīng)用提供指導。本文在概述液體泡沫對激光衰減機理的基礎(chǔ)上，通過實驗研究了液體泡沫對激光的透射衰減性能，并分析了液體泡沫厚度、中心尺寸、有無添加紅外干擾劑等因素對激光透射衰減性能的影響。

1 液體泡沫激光透射衰減概述

液體泡沫是一種氣體在液體中的分散體系，由許多密集的小液泡堆積在一起，構(gòu)成一群多面體液泡，液泡間被一層液體薄膜所隔開。一般來說，液泡外層的液膜厚度在幾微米到幾十納米之間，每個液泡通常具有不同的曲率半徑。液體泡沫對激光具有反射、散射和吸收作用[9]，如圖1所示。

圖1 激光通過單個液泡衰減示意圖

液體泡沫的特殊球面結(jié)構(gòu)和多面體結(jié)構(gòu)是產(chǎn)生激光強烈衰減的重要原因。透射光強隨光線穿過泡沫液膜界面的次數(shù)指數(shù)衰減，透射能量迅速下降；液體泡沫的特殊結(jié)構(gòu)增強了這種衰減效應(yīng)，使得泡沫液膜與光線作用幾率增大，導致傳播方向上激光能量銳減。

可見，液體泡沫對激光透射衰減性是反射、吸收和散射共同作用的效果，如圖2所示。

圖2 激光通過液體泡沫衰減群示意圖

對某一特定波長λ，液體泡沫對激光透射衰減效果可以用衰減比值ηλ來表示:

(1)

式中:Pλ為波長為λ時的激光入射總功率；Pηλ為波長為λ時液體泡沫衰減后的激光輻射功率；Pτλ為波長為λ時透過液體泡沫層的激光功率。

2 液體泡沫激光透射衰減性能實驗

2.1 實驗設(shè)備與方法

實驗原理與裝置如圖3所示。由1.06μm激光器發(fā)射信號，電荷耦合器件(CCD)光譜儀作為激光接收器，接收透過液體泡沫層的激光信號。1.06μm激光由Nd:YAG高穩(wěn)定固體激光器產(chǎn)生，輸出功率為10W，光束質(zhì)量約為2mR，采用水冷系統(tǒng)；CCD光譜儀采用線陣CCD高靈敏度探測器，靈敏波段為0.25～25μm，功率響應(yīng)范圍為1～10W，數(shù)據(jù)采集卡采集速率5 000 點/s；液體泡沫容器由透明玻璃材料構(gòu)成，液體泡沫由可調(diào)節(jié)泡沫出口尺寸的發(fā)泡裝置產(chǎn)生。同時，采用粒徑分析系統(tǒng)測量泡沫的中心尺寸，定義液體泡沫的中心尺寸為85%以上的液體泡沫粒徑小于該尺寸。

根據(jù)實驗設(shè)備性能，對衰減比值公式進行了簡化：

(2)

式中:ν0為無液體泡沫層時激光透射的信號相對強度值;ν1為經(jīng)液體泡沫衰減后的激光透射信號相對強度值。

圖3 液體泡沫層激光信號透射衰減性能實驗原理圖

2.2 實驗因素分析

實驗中主要考慮泡沫的中心尺寸、泡沫層厚度、泡沫類型3個相關(guān)因素。將實驗分成3類：(1)固定中心尺寸和泡沫類型，評估不同泡沫層厚度時的激光透射衰減性能；(2)固定泡沫層厚度和中心尺寸，評估不同泡沫類型時的激光透射衰減性能；(3)固定泡沫層厚度和泡沫類型，評估不同中心尺寸時的激光透射衰減性能。

實驗中選取參數(shù)為：(1)中心尺寸選取8mm和15mm。依據(jù)文獻，液體泡沫中心尺寸越小，透射衰減效果越好，但存在的問題是依據(jù)實驗所用發(fā)泡裝置中心尺寸越小的泡沫越難以控制其生成，因此選擇較容易生成的中心尺寸為8mm和15mm的泡沫。(2)泡沫層厚度選取2cm、3cm和4cm。對于中心尺寸為8mm的泡沫，泡沫層之間分別包含2個、3個和5個泡沫。泡沫層太厚會使透射信號太弱而使測量誤差增大。(3)泡沫類型選取普通泡沫和添加干擾劑的泡沫。添加紅外干擾劑的目的是增強紅外衰減效果。此外，實驗過程中還要特別考慮發(fā)射器與容器之間的距離以及激光光斑的大小等因素。

3 結(jié)果與分析

3.1 激光透射衰減效果

實驗測得激光透過泡沫層厚度為2cm、中心尺寸為15mm、未添加紅外干擾物的普通液體泡沫層時的衰減效果如圖5、圖6所示。

圖4 無液體泡沫時激光透射信號強度值

圖5 有液體泡沫時激光透射信號強度值

圖5為CCD光譜儀測得的無液體泡沫層時激光透射信號相對強度值，圖6為CCD光譜儀測得的有液體泡沫層時激光透射信號的相對強度值。從圖5中可以看出，無液體泡沫層時激光信號通過透明裝置后相對強度為3 000。從圖6可以看出，有液體泡沫層時激光信號通過液體泡沫層后相對強度為450，相對強度比值為15%，衰減比值為85%。

圖6 激光透射衰減比根據(jù)泡沫層厚度變化曲線圖

當泡沫層厚度為4cm、中心尺寸為8mm、添加紅外干擾物時，液體泡沫透射衰減性能最好。放置泡沫層后，得到的激光信號相對強度值為300，相對強度比值為1%，衰減比值為99%。

結(jié)果顯示，液體泡沫層對1.06μm激光信號有較強的衰減能力。

3.2 液體泡沫層衰減有效性分析

根據(jù)實驗設(shè)計,將實驗數(shù)據(jù)匯總并處理，得到液體泡沫對激光透射衰減變化曲線圖，如圖7所示。其中不同中心尺寸液體泡沫采用不同的線型來表示不同的泡沫類型，A泡沫為普通泡沫，B泡沫為添加1號干擾劑泡沫，C泡沫為添加2號干擾劑泡沫。

分析圖中曲線變化趨勢，可得到如下規(guī)律：

(1) 液體泡沫厚度對激光透射衰減比影響最大。從圖7可看出，3cm厚的液體泡沫激光透射衰減率都超過90%，5cm厚的液體泡沫激光透射衰減率都在95%以上，液體泡沫層厚度較大時，液體泡沫層激光衰減效果較好，衰減比值最大可差別9%，最小為5%。較厚的液體泡沫層中液體泡沫數(shù)量較多，對激光有較好的衰減作用。

(2) 液體泡沫尺寸對激光透射衰減影響效果顯著。以A泡沫為例，兩曲線差值較大，說明中心尺寸為8mm的液體泡沫激光透射衰減明顯好于15mm的液體泡沫，衰減比值最大差別6%，最小為3%。液體泡沫尺寸較小，單位體積內(nèi)液體泡沫數(shù)量較多，泡沫層結(jié)構(gòu)更加細密，對入射激光的散射與吸收作用也更復雜，對激光的衰減效果較好。

(3) 液體泡沫類型對激光透射衰減的影響效果一般。液體泡沫對激光的透射衰減機理在于其特殊的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。但相較而言，添加紅外干擾劑的液體泡沫層激光衰減效果要好于不添加紅外干擾劑的，因為紅外干擾劑是為增強液體泡沫紅外波段干擾效果而添加的特殊物質(zhì)，它對1.06μm激光也有衰減作用，從而增強了液體泡沫對激光的衰減。

(4) 對比上述結(jié)論，分析各因素對激光透射衰減性能的影響，影響最大的是液體泡沫層厚度，其次是液體泡沫中心尺寸，最后是液體泡沫類型。因此，在使用液體泡沫進行激光干擾時，為達到作戰(zhàn)效果，液體泡沫層必須要滿足一定厚度(至少4cm以上)。另外，研制液體泡沫干擾裝備時要求產(chǎn)生的液體泡沫中心尺寸盡可能小，來提高其衰減性能。同時，尋求更為有效的紅外干擾劑也很重要。

4 結(jié)束語

本文通過實驗研究了液體泡沫的激光透射衰減性能，發(fā)現(xiàn)液體泡沫具有較強的激光衰減能力，同時采用對比實驗的方法分析了泡沫厚度、泡沫中心尺寸、泡沫類型3個因素對激光透射衰減性能的影響，發(fā)現(xiàn)液體泡沫厚度對衰減性能影響最大。實驗結(jié)論對液體泡沫激光對抗應(yīng)用具有指導作用。

[1] 章文芳,胡波,宋偉,等.泡沫對激光制導武器系統(tǒng)干擾效能分析[J].激光與紅外,2012，42(4):431-435.

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[3]FribergS.FoamsProcSymp[M].NewYork:AcademicPress,1975.

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[5]BlombergFolkeIvar.Camouflageandamethodofobtainingsuchcamouflage[P].England:EP0018956,1980-08-10.

[6]Ao,ChiO:Electromagneticmodelofthermalemiss2000ionfromfoam-coveredoceansurfaceusingdensemediumradiativetransfertheory[A].InternationalGeoscienceandRemoteSensingSymposium(IGARSS)3,IEEE[C],2000:24-28.

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[8] 張瑋,時家明,汪家春,等.泡沫懸浮體對1.06μm和10.6μm激光的消光性能研究[J].激光與紅外,2009,39(3):293-296.

[9] 趙軍,潘功配,陳昕.離散泡沫的光學衰減原理[J].應(yīng)用光學,2008,29(3):472-480.

Analysis of Attenuation Performance of Liquid Foam to Laser Transmission

LI Zhi-gang,SHI Jia-ming

(State Key Laboratory of Pulsed Power Laser Technology,Hefei 230037,China)

As a new way of passive broad-band jamming,the liquid foam has attenuation effect to laser transmission.This paper discusses the attenuation mechanism of single isolated bubble and complex foam to laser transmission,carries through the experiments of foam's attenuation performance to laser transmission,finds out that the liquid foam layer has stronger attenuation capability to 1.06 laser,analyzes the influence of foam's various factors such as thickness of liquid foam layer,size of foam center,foam type,etc.on the attenuation performance of laser transmission according to the experiment result.The study result has guidance meaning to the laser jamming application of liquid foam.

liquid foam;laser jamming;laser transmission;attenuation

2015-01-27

TN977

A

CN32-1413(2015)04-0017-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.04.005