相較于傳統均質材料的斷裂問題，巖石的物理特性和其所在的復雜的地質條件對于研究巖石的力學性質，尤其是斷裂過程中的力學行為與性質帶來了巨大的挑戰。
一、應用場景
巖石是一種具有天然缺陷的具有強烈不均質性的三相介質。相較于傳統均質材料的斷裂問題，巖石的物理特性和其所在的復雜的地質條件對于研究巖石的力學性質，尤其是斷裂過程中的力學行為與性質帶來了巨大的挑戰。而脆性巖石是指變形小于3%即發生斷裂巖石種類，因其強度高、穩定性好被廣泛地應用為巖土工程的物質基礎。但是，脆性巖石的斷裂的裂紋尖端基本上沒有塑性區域，在工程實際中常常發生毫無征兆的斷裂，造成巨大的生命財產損失。因此，脆性巖石斷裂被認為是最危險的斷裂形式。脆性巖石的斷裂問題一直是國內外學者研究的熱點也是難點問題之一。其中，裂紋快速擴展過程中裂紋尖端場或損傷斷裂過程區的行為和理解，對于建立模型描述巖石材料動態斷裂顯得尤為重要，進而影響到斷裂參數的確定問題。而為了達成以上目標，首先要解決的問題就是如何在超高時間分辨的條件下拍攝到清晰的巖石斷裂過程圖片，為了達到這一目的，就需要更快的高速快門。
二、應用案例
傳統研究脆性巖石斷裂過程的傳統高速攝影采用的方法是不斷提高相機的快門時間從而提高記錄事件的時間分辨率。因為縮短了快門時間，單位曝光時間內的光通量減少，就必須提高相機傳感器的感光度，或對試件用大功率LED燈進行補光。但因超快相機傳感器的限制，現階段的超快相機的快門速度至多達到10-7s。這個量級的時間分辨率就必須在捕捉更多的斷裂事件和清晰的圖像需求之間被迫二選一。這就造成了在捕捉斷裂過程中裂紋尖端出現模糊、虛影等現象。而采用激光的脈沖特性作為快門就可以在保證光強的條件下同時具有了超快分辨的能力。
本方法使用了Sagittar-SLR激光器作為激光源，可以實現100k-500k@18W可調重復頻率，可以保證相機在超快時間分辨條件下仍具有足夠高的光強能夠滿足相機要求的最高照度。在使用時我們將一束激光用分光鏡分為兩束再通過反射鏡調整光路，同時用擴束鏡和準直鏡將激光均勻的投射在試樣表面。Sagittar-SLR激光器（均勻性參數）可以使試件表面光照均勻，不產生陰影，使斷裂的全過程可以被清晰的拍攝到。此外，此設備的穩定性十分出眾，在長時間運行后，亮度不出現波動，這在進行復雜的光路調試時非常具有優勢。同時，激光器的體積較小，方便對其進行搬運，調整角度。
因為采用激光作為“光快門”，因此，拍攝的時間分辨率完全由激光的半高寬決定。借助于激光超快超短的脈沖特性，實現了巖石材料斷裂過程的超快時間分辨，本課題組借助于這一設備完成的相關成果發表在Zhang, M., Li, D., Yang, L., Chen, L., Shen, M., Huo, J., & Li, Y. (2022). An ultrafast time-resolution method based on picosecond pulsed laser for determining rock fracture toughness at multipoint during the crack propagation. Scientific Reports, 12(1), 4550. doi:10.1038/s41598-022-08428-1。
