图1 LIPP法空间电荷测量原理
Fig.1 Principle of space charge measurement by LIPP method
摘要 采用激光诱导压力波（LIPP）法测量空间电荷时，激励侧产生的压力波会直接影响测量电荷结果，但目前鲜有研究讨论不同激励方案对其特性及电荷测量精度的影响。为此，该文搭建了压力波压电传感测量装置，研究不同靶电极材料、激光脉冲能量和光斑直径下的压力波脉冲特性与LIPP空间电荷测量结果，进一步结合构建的激光诱导弹性波传播仿真模型，分析基于激光烧蚀效应的弹性波产生过程，阐释不同激励参数对压力波特性的影响机制，最终确定LIPP测量装置的最优激励方案，即采用μm级雾化石墨喷剂配合金属铝作为靶电极，并且利用单脉冲能量为340 mJ和光斑直径为10 mm的激光能显著提高LIPP系统的空间分辨率及信噪比，空间分辨率达到14 μm，同时强电场极化下的聚酰亚胺空间电荷测量结果也验证了激励优化方案的有效性。该文研究结果可为LIPP空间电荷测量系统的激励方案设计与压力波传播机制研究等提供一定的参考。
关键词：空间电荷 激光诱导压力波法 激励特性 信噪比
固体聚合物绝缘材料拥有良好的介电特性（低介质损耗、高击穿场强、低电导率等），已成为目前高电压领域中重要的绝缘材料之一，其绝缘性能一直是国内外学者研究的热点[1-2]。然而，在高强度外加电场作用下，材料内部会积聚大量空间电荷，导致内部电场发生畸变。同时电荷入陷带来的能量释放和转移，都将破坏材料结构、加速材料老化，引起材料绝缘性能劣化，并进一步提高材料击穿概率[3-6]。因此，检测材料内部空间电荷分布特征，研究空间电荷形成、积聚、迁移、消散的整体过程，厘清空间电荷演化机制，有助于评估固体聚合物绝缘材料的绝缘性能与状态，指导材料改性设计。
脉冲电声（Pulsed Electro-Acoustic, PEA）法与压力波（Pressure Wave Propagation, PWP）法是目前国内外测量空间电荷分布最常采用的两种方法[7-9]。而根据压力波产生方式的不同，压力波法又可分为压电压力波（Piezoelectric Induced Pressure Wave Propagation, PIPWP）法[10-11]和激光诱导压力波（Laser Induced Pressure Propagation, LIPP）法[12-13]。与PEA法和PIPWP法相比，LIPP法无需复杂的反卷积计算，具有测量信号强、准确度高、无需重复多次测量的优点，在实际空间电荷测量场景中被广泛应用[14]。
激光诱导压力波法由法国学者P. Laurençeau等于1977年提出[15]，该方法利用弹性波在材料中的传播探测空间电荷。其优点在于被测信号的时间维度与材料的空间维度相对应，即信号与空间电荷之间存在直接对应的关系，大大简化了分析过程，但空间分辨率被限制在几十微米。为提高LIPP法测量的信噪比和分辨率，产生探测所需的高能量窄脉宽压力脉冲信号，国内外学者进行了许多探索。1981年，法国学者G. M. Sessler等首次提出利用短脉冲激光替代激波管，使用激光脉冲冲击靶电极产生弹性波的方法[16]。该方法易于实施，能够产生上升沿陡峭的压力脉冲，且在相同功率密度下，短脉冲激光产生压力波所需的能量更低，同时能够实现非接触测量。但由于LIPP法以弹性波作为虚拟探针，其测量分辨率受限于激励侧弹性波信号。因此，如何在现有技术条件下，获取更高振幅、更窄脉宽的弹性波信号，是提升LIPP法空间分辨率和信噪比的关键。
自LIPP法提出以来，国内外学者通过改变激光脉冲能量、电极声学耦合方式、测量电极结构等方法，针对激励侧弹性波信号不断进行优化设计。2000年，D. Malec分析了激光诱导压力波法测量高压电缆绝缘子空间电荷中的技术问题[17]，指明高能量激光脉冲对靶电极的损伤会导致测量信号波形畸变，并提出在靶电极上沉积透明薄膜，可避免电极受损，同时增大冲击产生的入射压力，提高系统测量信噪比。但是LIPP法在实际测量过程中，约束层液体种类及厚度对测量信号幅值的增益效果均有影响[18]。除此之外，有研究表明测量信号强度还显著依赖脉冲能量以及所施加的激光脉冲光束直径[19]。迄今为止，国内外学者均聚焦于各参数对最终测量信号的影响，但着眼于激光烧蚀靶电极产生的压力脉冲，深入剖析测量参数对弹性波信号影响的作用机制，厘清弹性波信号与影响因素、电荷信号与弹性波信号之间变化规律的研究仍然较少。
因此，本文搭建了压力波压电探测和LIPP法测量平台，分析激光单脉冲能量、光斑直径和靶电极材料对压力波特性与空间电荷测量结果的影响。进一步，结合构建的激光诱导压力波传播仿真模型，基于靶电极材料特性、弹性波衍射衰减过程和激光致声效应原理，分析了基于激光烧蚀效应的压力波的产生及传播过程，阐释了不同激励方案对压力波特性的影响机制，遴选出适配于所提出的LIPP法测量装置的最优激励方案。同时，强电场极化下聚酰亚胺（Polyimide, PI）的电荷测量结果也验证了激励方案的有效性。
LIPP法空间电荷测量原理如图1所示。一束高能量、窄脉宽激光作用在靶材料上，烧蚀靶材料并产生一个前沿非常陡的压力波p(t)。压力波p(t)以声速径向传播，依次穿过靶材料和试样。在此过程中， p(t)与试样相互作用引起样品发生非均匀形变，同时扰动试样内部偶极子和电荷中心发生变化，导致试样介电常数改变，从而改变试样两侧电极上的感应电荷，通过测量外部闭合回路的电流i(t)就可以得到测试样品内部的空间电荷分布[20]。
图1 LIPP法空间电荷测量原理
Fig.1 Principle of space charge measurement by LIPP method
假设脉宽为τ的弹性波穿过厚度为d的试样，当τ远小于其在试样中的传播时间时，测量电流信号i(t)可表示[21]为
（1）
（2）
式中，p为弹性波幅值；ρ(x)为试样电荷密度空间分布，0≤x≤d；c为声速；εr为试样相对介电常数；K为与试样相关的恒定样本参数；A为试样面积；χ为试样压缩系数。
进一步地，测量电流经电流放大器放大后，由示波器转换为电压信号，因此电荷测量电压信号与电流信号成正比。假设示波器内阻为Rs，则电荷测量电压信号V(t)与电荷密度的关系可表示为
（3）
本文基于激光诱导压力波法测量原理搭建的空间电荷测量系统及其等效电路如图2所示。采用Nd: YAG脉冲激光器，其工作波长为1 064 nm，单脉冲能量可调范围为1～900 mJ，脉宽为7 ns。激光通过一面高能量折射镜引至靶材料，产生压力波扰动试样内部的空间电荷，形成电流信号，进入测量回路。实验采用聚酰亚胺绝缘板作为试样，厚度为250 μm，边长为100 mm，实验前对试样进行短路处理，确保内部无残留电荷。
图2 LIPP法空间电荷测量系统
Fig.2 LIPP method space charge measurement system
由于传统LIPP测量装置从高压侧提取信号，加压回路与测量回路仅通过耦合电容器进行隔离[22]，一旦操作不当极易损坏测量回路仪器，并进一步威胁操作人员的安全。为了避免此高压隔离问题，本文从接地端获取测量信号，同时在LIPP信号电极外围设置环形接地端作为保护电极，与信号电极通过1 mm空气间隙隔离，测量信号由示波器（Tektronix，带宽范围为50 MHz～2 GHz，采样率为3.25 GS/s）记录。电极与试样之间通过一层均匀薄涂的硅油进行声学耦合，防止空气间隙对测量造成影响。
激光诱导压力波法是一种以压力波作为虚拟探针，测量试样内部空间电荷的非破坏性测量方法。有研究表明，其测量的空间分辨率R受限于靶电极烧蚀所产生的压力波脉宽[23]，即
（4）
式中，v为测试试样中的声速；fmax为测量系统带宽。
因此，本文搭建了压力波压电测量系统如图3所示。所采用的聚偏二氟乙烯（Polyvinylidene Difluoride, PVDF）压电传感器的厚度为28 μm，压电常数为33 pC/N。示波器通过50 Ω同轴电缆与PVDF相连。激光烧蚀靶材料产生弹性波作用在PVDF压电传感器表面，PVDF将感受到的压力脉冲转换为电信号。通过探测不同靶电极、激光能量、激光光斑面积下所产生的压力波，根据观测到的压力波幅值、脉宽、波形的特征，对上述测量参数进行初步遴选。
图3 压力波压电测量系统
Fig.3 Pressure wave piezoelectric measurement system
为验证压力波压电测量系统的可行性，分别以固定频率的压电陶瓷和窄脉宽飞秒激光作为激励源，测量系统输出结果如图4所示。
图4 压力波测量系统验证
Fig.4 Pressure wave measurement system verification
实验结果表明，固定频率的压电陶瓷激励信号与系统获得的测量信号在波形、频率上均具有较高的一致性。同时，飞秒脉冲激励弹性波的测量结果表明，本文搭建的压力波测量系统能够检测到高频窄脉宽的弹性波信号。因此，所搭建的压力波信号测量系统能够准确地反映激光诱导压力波波形，具有一定的可行性，可以用来探测纳秒激光烧蚀靶电极产生的压力波激励信号。
激光源激发声波主要包括光热效应和热声效应两个物理过程：首先是光热效应，靶电极材料吸收激光能量并转化为热能；而热声效应则是激光辐照区域吸收热量，进而发生热胀冷缩产生声波。根据激光能量密度的大小，可将固体介质与激光作用激发弹性波的机制分为两种：热弹机制与热蚀机制[24]。高能量脉冲激光照射在靶材料表面时，如果激光功率密度达到材料烧蚀阈值（一般大于1012 W/cm2），会引发等离子体效应，又称热蚀效应。靶电极吸收激光能量，产生从表面以速度vb径向喷射的质量为Δm的粒子，其释放时产生的动量为Δmvb，由相互作用力可知，与此同时将产生一个垂直于固体表面的脉冲波。由于光声效应复杂的物理机制，不同介质、不同激光参数会导致不同的光声效应，进而影响产生的压力波的信号强度及脉宽。
为此，本文测量了在不同靶电极材料、激光脉冲能量和光斑直径下，压力脉冲信号及试样的空间电荷分布情况。
实验采用的PI薄膜由适当稀释后的聚酰亚胺前体溶液在基片上流延拉伸后，通过高温固化制备而成，试样厚度为250 μm，相对密度为1.40。为防止发生沿面放电，试样应略大于电极，尺寸裁切为100 mm×100 mm。为保证实验结果的准确性，本节实验均在20℃的温度条件下进行，施加12 kV/mm电场并在10 s后用激光照射靶电极产生弹性波。同时，实验所用PI试样均为同一批次，并在实验前对试样进行退火处理，保证试样内部无残留电荷。
LIPP空间电荷测量系统示波器工作模拟带宽选择为200 MHz，采样率为3.25 GS/s。空间电荷测量信号频谱分布如图5所示，信号基本由100 MHz以内的频率部分组成，因此本文采用截止频率为100 MHz的巴特沃斯低通滤波器对测量信号进行处理。
本节通过调节纳秒激光器输出，观察不同单脉冲能量下产生的压力脉冲及电荷测量信号，如图6所示。图6a～图6d分别为铝、乙烯-醋酸乙烯共聚物（Ethylene Vinyl Acetate, EVA）、半导电层、石墨喷剂+铝在不同激光能量下产生的测量信号，其中石墨喷剂采用μm级雾化石墨层。同时使用激光能量计获取激光单脉冲能量，实验所用激光能量范围为35～340 mJ，激光光斑直径为10 mm。
图5 空间电荷测量信号频谱分布
Fig.5 Space charge measurement signal spectrum distribution
实验结果表明，脉冲激光照射靶电极时产生的压力波呈现正负双峰波形。当激光能量达到100 mJ以上时，负峰较正峰更为明显，且随着激光能量的增加，负峰振幅增大，正负峰值比例逐渐减小。图6中当激光能量较高时，试样中间部分信号存在非零值，这是由于LIPP法测量电路中存在的电感电容会对测量信号造成影响[25]，因此非零信号可能是LC电路使波形发生振荡而偏移零点所致。对于四种靶电极材料，压力脉冲振幅与激光能量大小在整个变化范围内保持线性相关。从图6中可知，当激光能量较低时，压力脉冲振幅较低且脉宽较大，同时几乎测量不到任何电荷信号；当激光能量达到一定阈值后，随着激光能量的增大，电荷峰值逐渐增大，电荷测量信号明显，与观测到的压力脉冲信号变化趋势几乎保持一致。因此，选择高能量激光脉冲有利于提高LIPP法测量的有效信号幅值和空间分辨率。
图6 激光能量对测量信号的影响
Fig.6 The influence of laser energy on the measured signal
由于高能量激光会对靶电极造成损伤，其损伤程度随着激光能量的增大而增大，为保证实验具有一定的可重复性，有必要对多次激光照射下产生的弹性波波形进行对比，以选择合适的激光能量。不同激光能量下多次激光烧蚀诱导的压力波信号如图7所示。为方便比较不同能量下的波形特征，以第1次烧蚀产生的弹性波振幅为标准，对压力脉冲幅值进行归一化处理。由图7可知，与第1次烧蚀产生的压力波相比，随着激光烧蚀次数的增加，压力波会出现一定的偏移和展宽。
图7 不同激光能量下多次激光烧蚀诱导的压力波信号
Fig.7 Pressure wave signals induced by multiple laser ablations at different laser energies
实验结果表明，过高的激光能量可能加速靶电极的损伤，进而影响压力脉冲波形。相比于更高的激光能量，340 mJ的激光能在25次烧蚀内产生较为稳定的压力脉冲信号。因此，本文选择340 mJ作为LIPP法的激励能量。
实验所采用的激光为高斯光束，根据理论声学中瑞利长度[26]的定义，波束光斑直径是影响高斯光束瑞利长度的重要参数。因此，除激光单脉冲能量外，还应考虑光斑直径对压力脉冲的影响。本节在折射镜后增设一面高能量聚焦透镜，通过调整聚焦透镜的位置，改变激光光束照射到靶电极上的光斑尺寸。基于上述实验条件，得到当340 mJ能量的脉冲激光照射在四种靶电极材料时，光斑直径与测量信号幅值之间的关系如图8所示。
图8 激光光斑直径对测量信号的影响
Fig.8 Influence of laser spot diameter on measurement signal
实验结果表明，电荷测量信号幅值与光斑直径具有强相关性，随着光斑直径的增大，纳秒激光烧蚀靶电极产生的压力波脉冲与电荷测量信号幅值也同步增大，且二者呈现相同的变化趋势。但当光斑直径增大至一定程度时，信号幅值不再随着直径的增大而明显增大，且逐渐趋于水平。
综上所述，当激光能量为340 mJ时，选择光斑直径为10 mm可使得四种靶电极材料产生的压力脉冲和电荷测量信号最优。因此，本文选择10 mm作为LIPP法的激光光斑直径。
由于不同材料对光的吸收率、烧蚀阈值、比热容以及密度等基本物理参数存在差异，因此相同激光能量下，不同靶电极材料产生的压力波也有所不同。根据现有研究，本文选取铝、EVA、半导电层、石墨喷剂+铝四种常用材料作为靶电极进行测量。图9显示了相同激光能量和光斑直径下，不同靶电极材料得到的压力脉冲波及空间电荷测量信号。
图9 340 mJ激光能量下不同靶电极材料测量结果
Fig.9 Measurement results of different target electrode materials under 340 mJ laser energy
实验结果表明，四种靶电极材料所得测量信号幅值与波形均有差异。其中，激光烧蚀铝电极所产生的弹性波波形更理想，但脉宽约为20 ns，且信号幅值相对较小。这是因为当激光直接击中铝靶时，部分能量会被反射，且铝的密度与升华潜热较大，导致在相同激光能量下无法达到铝的烧蚀阈值，因此产生的压力脉冲信号幅值及脉宽均不理想。
为提高铝电极对激光能量的转化效率，本文在铝靶上喷涂μm级雾化石墨层（石墨喷剂+铝），得到压力脉冲信号如图9a深蓝色虚线所示。对比单一铝靶与喷涂石墨层后所产生的压力脉冲测量结果可知，通过喷涂黑色石墨喷剂可以在增加约束层的同时加强靶电极对激光的吸收性能，使压力脉冲信号强度提升至原本的11倍左右。从图9b中可以看出，各电荷分布曲线的峰值和脉宽与图9a中压力脉冲信号基本吻合。四种靶电极材料在340 mJ激光能量、10 mm光斑直径条件下的压力脉冲及电荷测量结果对比见表1。
表1 四种靶电极材料测量结果对比
Tab.1 Comparison of measurement results of four kinds of target electrode materials
靶电极材料压力脉冲信号幅值/V电荷测量信号幅值/mV脉宽/ns空间分辨率/μm 铝EVA0.712.11840 0.541.93580 半导电层石墨喷剂+铝1.86.350120 7.426.1714
LIPP法测量信噪比取决于压力波的幅值大小，由表1可知，当铝作为靶电极，并配合μm级石墨喷剂时得到的测量信号幅值更大且脉宽更窄。
由于激光诱导压力波包含复杂的物理过程，是多个机制相互作用的结果，且不同的激励参数会导致不同的致声效应。因此，本节基于激光烧蚀效应，针对喷涂μm级石墨喷剂的铝电极搭建如图10所示的三维激光声源仿真模型，结合实验结果分析激光烧蚀效应的弹性波产生过程，对LIPP法激励侧进行优化，并遴选出适配于所搭建的LIPP法测量装置的最优激励方案。仿真模型首先利用固体传热模块模拟脉冲激光在靶电极表面形成热源，通过变形几何模块模拟烧蚀过程；然后利用多物理场耦合固体力学模块，研究热源引起的微小应力[27-28]；最后分析靶电极产生的脉冲声源。仿真模型具体参数见表2。
图10 基于激光烧蚀效应的声源仿真模型
Fig.10 Simulation model of laser thermal corrosion effect
表2 仿真模型参数
Tab.2 Parameters of simulation model
参数数值 铝靶导热系数/[W/(m·K)]237 铝靶烧蚀温度/K930.15 铝靶升华潜热/(kJ/kg)560 激光波长/nm1 064 脉冲能量/mJ35～340 光斑直径/mm3～10 脉冲宽度/ns7
不同激光能量对压力脉冲的影响仿真结果以及压力脉冲峰值随激光能量的变化规律如图11所示。结合实验结果分析可知，弹性波仿真波形与图6d中的实测波形及变化规律大致相似，均呈现正负双峰波形。这可能是因为在热蚀效应作用的同时还存在热弹效应，脉冲信号是由热弹性波与烧蚀产生的压力脉冲叠加形成的，即在激光烧蚀靶材料使之汽化的同时，靶材料吸收激光的一部分能量并转化为热能，材料表面受激光照射区域热胀冷缩发生形变产生应力，并激励产生压力脉冲。而热弹效应一般发生在激光功率密度较小（一般小于MW/cm2数量级）的情况下，相比于烧蚀弹性波，热弹效应激发的弹性波幅值随着激光能量增大的变化并不明显。因此在单脉冲能量较低时双峰波形更为明显，即低能量时烧蚀弹性波与热弹性波幅值之比更小。
图11 激光能量对压力脉冲影响仿真结果
Fig.11 Simulation results of the influence of laser energy on pressure pulse
图12为340 mJ下光斑直径对压力脉冲影响的仿真结果，其波形和幅值变化规律与实测结果大致相似：随着光斑直径的增大，靶电极烧蚀产生的压力脉冲幅值增加，且在直径增加到一定大小时开始趋于稳定。这是因为，当考虑压力波在传输过程中的衍射衰减时，直径越大的高斯光束产生的压力波在传播过程中对于其自身的衍射衰减影响越小。同时，高斯光束的能量集中在中心区域，越靠近光斑边缘能量密度越低，可能低于靶电极烧蚀阈值。增大光斑直径能有效地增加烧蚀范围，提高弹性波能量。但光斑直径增大同时会导致能量密度降低，从而导致信号变弱[29]，因此弹性波及电荷测量信号幅值呈现如图8所示的变化趋势。
图12 光斑直径对压力脉冲影响仿真结果
Fig.12 Simulation results of influence of spot diameter on pressure pulse
基于遴选出的LIPP空间电荷测量系统最优参数，设置激光器参数为单脉冲能量为340 mJ、光斑直径为10 mm，并在铝电极上喷涂μm级雾化石墨喷剂，对第3节中所述的同一批次PI试样在不同电场强度和加压时间下进行实验。
图13为最优参数下LIPP系统对同一批次PI试样在加压10 s内，不同电场强度下的空间电荷分布测量结果。从图13中可以看出，随着外加电场的增大，可以观察到试样正负电极对应的电荷峰值也增大，电荷峰之间相对平滑，无明显电荷积聚现象，高电场强度下开始出现电荷向内部迁移的现象。
图13 不同电场强度下LIPP法空间电荷分布
Fig.13 Space charge distribution by LIPP method under different electric field intensity
在18 kV/mm电场强度下，LIPP法空间电荷分布测量结果如图14所示，总加压时间为3.5 h。从图14中可以看出，负电极处PI试样有异极性空间电荷注入，并且随着加压时间的增加，负电极附近注入的空间电荷幅值也逐渐增加，同时可以观察到空间电荷在试样内部的迁移行为。
图14 18 kV/mm下LIPP法空间电荷分布
Fig.14 Spatial charge distribution by LIPP method at 18 kV/mm
首先，图13和图14中的电荷测量信号符合标准LIPP法测量波形的特点，即脉冲前沿陡峭、拖尾较缓且能快速回归基线[30]；其次，声音在硅油和聚合物试样中的传播速度约为2 000 m/s，图中电荷测量信号正负电荷峰之间的间隔约为250 μm，与实际值相符。综上所述，本文选取的激励侧参数与系统匹配度较高，该参数下的LIPP系统测量能够准确地反映试样内部空间电荷分布。
本文结合激光烧蚀致声原理，研究了激光单脉冲能量、激光光斑直径和不同靶电极材料对压力脉冲信号波形、脉宽、振幅等参数的影响，得出如下结论：
1）基于压电薄膜的高频窄脉宽压力波测量装置可以实现纳秒级压力波脉冲的跟踪测量。配合搭建的LIPP法测量系统，进一步通过实验证明了压力波激励波形与电荷信号均会受到激光参数与靶电极材料的影响。随着激光单脉冲能量的增大，压力波与电荷信号幅值均呈现上升趋势。同时，激光光斑直径也与测量信号幅值具有强相关性。
2）基于激光致声效应原理，结合靶电极材料物理参数与弹性波衍射衰减特性，构建激光激励声源仿真模型，阐释了不同激励参数对压力波特性的影响机制。在靶电极烧蚀过程中，热弹效应与热蚀效应同时存在。随着激光单脉冲能量的增大，热弹效应产生的正极性电荷峰幅值几乎不变，而烧蚀脉冲能量线性增大；激光光斑直径增大能有效地增大靶电极烧蚀面积、减小衍射衰减影响，进而提高压力波能量，但直径持续增大将使能量密度降低，导致压力波幅值呈对数级增长。
3）采用喷涂μm级厚度石墨层的金属铝作为靶材料，配合使用单脉冲能量为340 mJ、光斑直径为 10 mm的激励激光可显著地提高空间电荷测量精度，系统空间分辨率达到了14 μm。通过对强电场极化下聚酰亚胺空间电荷测量结果的分析，证明了该激励方案的有效性，为LIPP法激励方案设计与压力波传播机制研究提供了思路。
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Influence of Excitation Side Parameters on Laser Induced Pressure Propagation Properties and Methods to Improve the Measurement Accuracy of Space Charge
Abstract Laser induced pressure propagation (LIPP) method is one of the commonly used methods to measure solid insulating materials. In the process of space charge measurement using LIPP, different excitation schemes induce pressure pulses with different waveforms, pulse widths, and amplitudes, and the pressure wave characteristics further directly affect the charge measurement results. The pressure wave characteristics further directly affect the charge measurement results. However, few studies have been conducted to discuss the effects of the excitation side schemes on the pressure wave characteristics as well as the measured signal waveforms, spatial resolution and signal-to-noise ratio.
In order to visually analyse the characteristics of pressure waveform, pulse width and amplitude, this paper builds a high-frequency and narrow pulse width pressure pulse signal detection platform based on piezoelectric thin film, and combines it with the LIPP method of space charge measurement system, to visually analyze the effects of laser parameters and target electrode materials on pressure waveform and space charge measurement results. The different mechanisms of elastic wave generation and propagation are further analyzed in combination with the constructed three-dimensional simulation model of laser ablation elastic wave propagation, and the optimal excitation scheme suitable for the proposed laser-induced pressure wave measurement device is selected.
The experimental and simulation results show that the laser single pulse energy, spot diameter and target electrode material have significant effects on the pressure wave generation and charge measurement signal results. Due to the simultaneous existence of thermal elastic and ablation effects in the process of laser ablation of the target electrode, the pressure wave generated is a positive and negative bimodal waveform. With the increase of energy, the amplitude of the ablation pressure pulse and the charge signal increases linearly synchronously, while the amplitude of the pressure wave generated by the thermal elastic effect is almost unchanged. Secondly, the pressure wave generated by the Gaussian beam with a larger diameter has less influence on its own diffraction attenuation during the propagation process, and the increase of the laser spot diameter can effectively increase the ablation area of the target electrode, thereby increasing the pressure wave energy, but the continuous increase of the diameter will reduce the energy density, resulting in a logarithmic increase of the pressure wave amplitude. Finally, under the same laser parameters, the surface constraint of the aluminum electrode can be increased by spraying micron-level atomized graphite spray, and the absorption performance of aluminum to the laser can be enhanced, so as to further improve the pressure wave intensity.
The use of metallic aluminum sprayed with micron-thick graphite layer as the target material, together with the excitation laser with 340 mJ single pulse energy and 10 mm spot diameter, significantly improves the accuracy of the space charge measurement, and the resolution of the system reaches 14 μm. At the same time，through the analysis of the measurement results of the space charge of the polyimide under the strong-field polarization, the validity of the excitation scheme is proved, and it provides an idea for the study of the design of the excitation scheme of the LIPP method and the propagation mechanism of the pressure wave.
Keywords：Space charge, laser induced pressure propagation method, excitation characteristic, signal to noise ratio
中图分类号：TM93
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.241117
国家自然科学基金（52127812, 52177147）、河北省省级科技计划（E2024502005）和中央高校基本科研业务费专项资金（2023JC005）资助项目。
收稿日期2024-06-27
改稿日期2024-07-30
马一丹 女，2000年生，硕士研究生，研究方向为固体电介质空间电荷测量技术。
E-mail：ncepumyd@163.com
任瀚文 男，1994年生，讲师，硕士生导师，研究方向为高电压与绝缘技术。
E-mail：rhwncepu@ncepu.edu.cn（通信作者）
（编辑 李 冰）