液体泡沫对激光的透射衰减性能分析

李志刚，时家明

(脉冲功率激光技术国家重点实验室，合肥 230037)



液体泡沫对激光的透射衰减性能分析

李志刚，时家明

(脉冲功率激光技术国家重点实验室，合肥 230037)

液体泡沫作为一种新的宽波段无源干扰手段，对激光具有透射衰减作用。探讨了单个液泡和液体泡沫层对激光的透射衰减机理，进行了液体泡沫的激光透射衰减性能实验，发现液体泡沫层对1.06 μm激光具有较强的衰减能力，根据实验结果分析了液体泡沫层厚度、泡沫中心尺寸、泡沫类型等因素对激光透射衰减性能的影响。研究结果对于液体泡沫的激光干扰运用具有指导意义。

液体泡沫;激光干扰;激光透射;衰减

0 引 言

随着激光技术的飞速发展，激光精确制导武器已经广泛应用于现代战场，由于具有精度高、价格低、抗电磁干扰能力强等特点，它对各类军事和经济目标构成了严重威胁。传统的对抗激光制导的手段包括烟幕以及隐身涂层等，但它们都有各自的不足制约了其应用范围。烟幕的持续时间通常较短，而隐身涂料为了满足多波段的兼容性往往性能较差。液体泡沫是一种新兴的宽波段无源干扰手段，在目标和入射激光之间形成一定厚度的液体泡沫，利用泡沫层独特的成分和结构，通过无规则反射、吸收、散射等作用使入射激光被衰减，从而降低对方激光测距和激光制导的准确性，提高目标的生存概率。这种方法具有使用方便、成本低、作用波段宽、时间长、效果好、无毒和无污染等特点[1]，在激光对抗方面显示出独特的优势，受到了越来越多的关注。

国内外学者对液体泡沫产生、稳定性以及与光波的相互作用方面开展了相关的研究。日本的伊滕光一在20世纪70年代就已研究了表面粘度对液体泡沫寿命的影响[2]，美国的Friberg在1975年发现含有液晶相的溶液能产生较稳定的液体泡沫[3]，李作锋等研究了表面活性剂混合体系的起泡性和液体泡沫稳定性[4]，瑞典的Blomberg Folke Ivar于1980年发明了水基液体泡沫伪装装置[5]，可对红外～微波范围的电磁波均产生良好的衰减作用，美国麻省理工大学专家研究了海面液体泡沫的散射、吸收特性[6]，大连舰艇学院金良安等人基于S-4液体发烟剂制备了一种液体泡沫云[7]，能对红外、激光及毫米波有较好的衰减。电子工程学院张玮等从理论上计算了液体泡沫悬空体对1.06 μm和10.6 μm激光的消光性能,并根据Mie氏理论研究了单个液体泡沫球的消光性能[8]。

然而，对液体泡沫激光衰减的系统性实验研究还缺乏报道，研究分析液体泡沫的激光衰减性能及其影响因素，可为今后液体泡沫激光防护应用提供指导。本文在概述液体泡沫对激光衰减机理的基础上，通过实验研究了液体泡沫对激光的透射衰减性能，并分析了液体泡沫厚度、中心尺寸、有无添加红外干扰剂等因素对激光透射衰减性能的影响。

1 液体泡沫激光透射衰减概述

液体泡沫是一种气体在液体中的分散体系，由许多密集的小液泡堆积在一起，构成一群多面体液泡，液泡间被一层液体薄膜所隔开。一般来说，液泡外层的液膜厚度在几微米到几十纳米之间，每个液泡通常具有不同的曲率半径。液体泡沫对激光具有反射、散射和吸收作用[9]，如图1所示。

图1 激光通过单个液泡衰减示意图

液体泡沫的特殊球面结构和多面体结构是产生激光强烈衰减的重要原因。透射光强随光线穿过泡沫液膜界面的次数指数衰减，透射能量迅速下降；液体泡沫的特殊结构增强了这种衰减效应，使得泡沫液膜与光线作用几率增大，导致传播方向上激光能量锐减。

可见，液体泡沫对激光透射衰减性是反射、吸收和散射共同作用的效果，如图2所示。

图2 激光通过液体泡沫衰减群示意图

对某一特定波长λ，液体泡沫对激光透射衰减效果可以用衰减比值ηλ来表示:

(1)

式中:Pλ为波长为λ时的激光入射总功率；Pηλ为波长为λ时液体泡沫衰减后的激光辐射功率；Pτλ为波长为λ时透过液体泡沫层的激光功率。

2 液体泡沫激光透射衰减性能实验

2.1 实验设备与方法

实验原理与装置如图3所示。由1.06μm激光器发射信号，电荷耦合器件(CCD)光谱仪作为激光接收器，接收透过液体泡沫层的激光信号。1.06μm激光由Nd:YAG高稳定固体激光器产生，输出功率为10W，光束质量约为2mR，采用水冷系统；CCD光谱仪采用线阵CCD高灵敏度探测器，灵敏波段为0.25～25μm，功率响应范围为1～10W，数据采集卡采集速率5 000 点/s；液体泡沫容器由透明玻璃材料构成，液体泡沫由可调节泡沫出口尺寸的发泡装置产生。同时，采用粒径分析系统测量泡沫的中心尺寸，定义液体泡沫的中心尺寸为85%以上的液体泡沫粒径小于该尺寸。

根据实验设备性能，对衰减比值公式进行了简化：

(2)

式中:ν0为无液体泡沫层时激光透射的信号相对强度值;ν1为经液体泡沫衰减后的激光透射信号相对强度值。

图3 液体泡沫层激光信号透射衰减性能实验原理图

2.2 实验因素分析

实验中主要考虑泡沫的中心尺寸、泡沫层厚度、泡沫类型3个相关因素。将实验分成3类：(1)固定中心尺寸和泡沫类型，评估不同泡沫层厚度时的激光透射衰减性能；(2)固定泡沫层厚度和中心尺寸，评估不同泡沫类型时的激光透射衰减性能；(3)固定泡沫层厚度和泡沫类型，评估不同中心尺寸时的激光透射衰减性能。

实验中选取参数为：(1)中心尺寸选取8mm和15mm。依据文献，液体泡沫中心尺寸越小，透射衰减效果越好，但存在的问题是依据实验所用发泡装置中心尺寸越小的泡沫越难以控制其生成，因此选择较容易生成的中心尺寸为8mm和15mm的泡沫。(2)泡沫层厚度选取2cm、3cm和4cm。对于中心尺寸为8mm的泡沫，泡沫层之间分别包含2个、3个和5个泡沫。泡沫层太厚会使透射信号太弱而使测量误差增大。(3)泡沫类型选取普通泡沫和添加干扰剂的泡沫。添加红外干扰剂的目的是增强红外衰减效果。此外，实验过程中还要特别考虑发射器与容器之间的距离以及激光光斑的大小等因素。

3 结果与分析

3.1 激光透射衰减效果

实验测得激光透过泡沫层厚度为2cm、中心尺寸为15mm、未添加红外干扰物的普通液体泡沫层时的衰减效果如图5、图6所示。

图4 无液体泡沫时激光透射信号强度值

图5 有液体泡沫时激光透射信号强度值

图5为CCD光谱仪测得的无液体泡沫层时激光透射信号相对强度值，图6为CCD光谱仪测得的有液体泡沫层时激光透射信号的相对强度值。从图5中可以看出，无液体泡沫层时激光信号通过透明装置后相对强度为3 000。从图6可以看出，有液体泡沫层时激光信号通过液体泡沫层后相对强度为450，相对强度比值为15%，衰减比值为85%。

图6 激光透射衰减比根据泡沫层厚度变化曲线图

当泡沫层厚度为4cm、中心尺寸为8mm、添加红外干扰物时，液体泡沫透射衰减性能最好。放置泡沫层后，得到的激光信号相对强度值为300，相对强度比值为1%，衰减比值为99%。

结果显示，液体泡沫层对1.06μm激光信号有较强的衰减能力。

3.2 液体泡沫层衰减有效性分析

根据实验设计,将实验数据汇总并处理，得到液体泡沫对激光透射衰减变化曲线图，如图7所示。其中不同中心尺寸液体泡沫采用不同的线型来表示不同的泡沫类型，A泡沫为普通泡沫，B泡沫为添加1号干扰剂泡沫，C泡沫为添加2号干扰剂泡沫。

分析图中曲线变化趋势，可得到如下规律：

(1) 液体泡沫厚度对激光透射衰减比影响最大。从图7可看出，3cm厚的液体泡沫激光透射衰减率都超过90%，5cm厚的液体泡沫激光透射衰减率都在95%以上，液体泡沫层厚度较大时，液体泡沫层激光衰减效果较好，衰减比值最大可差别9%，最小为5%。较厚的液体泡沫层中液体泡沫数量较多，对激光有较好的衰减作用。

(2) 液体泡沫尺寸对激光透射衰减影响效果显著。以A泡沫为例，两曲线差值较大，说明中心尺寸为8mm的液体泡沫激光透射衰减明显好于15mm的液体泡沫，衰减比值最大差别6%，最小为3%。液体泡沫尺寸较小，单位体积内液体泡沫数量较多，泡沫层结构更加细密，对入射激光的散射与吸收作用也更复杂，对激光的衰减效果较好。

(3) 液体泡沫类型对激光透射衰减的影响效果一般。液体泡沫对激光的透射衰减机理在于其特殊的物质结构。但相较而言，添加红外干扰剂的液体泡沫层激光衰减效果要好于不添加红外干扰剂的，因为红外干扰剂是为增强液体泡沫红外波段干扰效果而添加的特殊物质，它对1.06μm激光也有衰减作用，从而增强了液体泡沫对激光的衰减。

(4) 对比上述结论，分析各因素对激光透射衰减性能的影响，影响最大的是液体泡沫层厚度，其次是液体泡沫中心尺寸，最后是液体泡沫类型。因此，在使用液体泡沫进行激光干扰时，为达到作战效果，液体泡沫层必须要满足一定厚度(至少4cm以上)。另外，研制液体泡沫干扰装备时要求产生的液体泡沫中心尺寸尽可能小，来提高其衰减性能。同时，寻求更为有效的红外干扰剂也很重要。

4 结束语

本文通过实验研究了液体泡沫的激光透射衰减性能，发现液体泡沫具有较强的激光衰减能力，同时采用对比实验的方法分析了泡沫厚度、泡沫中心尺寸、泡沫类型3个因素对激光透射衰减性能的影响，发现液体泡沫厚度对衰减性能影响最大。实验结论对液体泡沫激光对抗应用具有指导作用。

[1] 章文芳,胡波,宋伟,等.泡沫对激光制导武器系统干扰效能分析[J].激光与红外,2012，42(4):431-435.

[2] 伊藤光一.泡沫科学与技术[J].油化学,1977,26(10):627-634.

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

[4] 李作锋,谭惠民.表面活性剂混合体系的起泡性和泡沫稳定性[J].油气田地面工程,2003,22(4):13-14.

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

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

[7] 金良安, 王孝通,付建国,等.特种泡沫云对常用频段红外的干扰实验研究[J].激光与红外,2004,34(4):299-281.

[8] 张玮,时家明,汪家春,等.泡沫悬浮体对1.06μm和10.6μm激光的消光性能研究[J].激光与红外,2009,39(3):293-296.

[9] 赵军,潘功配,陈昕.离散泡沫的光学衰减原理[J].应用光学,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