8km／s激光驅(qū)動(dòng)飛片發(fā)射技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究＊

牛錦超，龔自正，曹 燕，代 福，楊繼運(yùn)，李 宇

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094；2.五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院，廣東 江門529020）

激光驅(qū)動(dòng)飛片技術(shù)是20世紀(jì)80年代末迅速發(fā)展起來(lái)的一種新型動(dòng)高壓加載技術(shù)。其原理［1］是在透明約束基底（基底通常選用高阻抗透明材料，如石英玻璃等）上粘貼或沉積一層金屬薄膜制成飛片靶，一束高強(qiáng)度脈沖激光透過(guò)基底材料入射到薄膜表面，迎輻照面的部分薄膜材料被燒蝕，瞬間氣化或電離，在薄膜內(nèi)表面產(chǎn)生高溫高壓等離子體。由于受到基底材料的約束，等離子體產(chǎn)生的高壓沖擊波作用到未燒蝕的固體薄膜上，將薄膜剪切下來(lái)形成速度高達(dá)幾千米每秒的高速飛片，如圖1所示。激光驅(qū)動(dòng)飛片技術(shù)經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，已經(jīng)被成功應(yīng)用于材料物態(tài)方程研究、高應(yīng)變率下材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性研究、炸藥引爆技術(shù)研究以及空間碎片模擬［2－5］等領(lǐng)域。

在激光驅(qū)動(dòng)飛片技術(shù)中，最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)有2個(gè)：（1）飛片的發(fā)射速度，其實(shí)質(zhì)是飛片靶的激光能量耦合效率；（2）飛片的平面性和完整性。影響這些指標(biāo)的因素眾多，如激光光束質(zhì)量、激光能量、激光脈寬、飛片靶結(jié)構(gòu)、飛片靶制備工藝以及金屬膜層的力學(xué)特性等，因此，從理論上研究這一問(wèn)題很困難。

激光驅(qū)動(dòng)飛片技術(shù)實(shí)驗(yàn)探索中，引進(jìn)約束基底［6］和薄膜沉積工藝［7］以后，激光能量的轉(zhuǎn)換效率獲得了極大的提升，使得利用較低能量的激光發(fā)射高速飛片成為可能。近年來(lái)，復(fù)合結(jié)構(gòu)飛片靶的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了激光驅(qū)動(dòng)飛片技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步［8－12］。K.Okada等［10］用磁控濺射方法制備了結(jié)構(gòu)為Al（2μm）／聚酰亞胺（90μm）／Ta（8μm）的飛片靶，利用波長(zhǎng)351nm、脈寬2.5ns、最大輸出能量3kJ的激光驅(qū)動(dòng)了直徑600μm、厚8μm 的Ta飛片，獲得了速度高達(dá)23.6km／s且具有良好完整性的飛片。王春彥等［13］、谷卓偉等［14－15］、張文兵等［16］、曹燕［17］先后從20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始也開(kāi)展了高強(qiáng)度脈沖激光驅(qū)動(dòng)飛片技術(shù)及應(yīng)用研究，但飛片（厚5.5μm、直徑0.5～0.8mm 的鋁膜）的最高速度僅為6.6km／s。

圖1 激光驅(qū)動(dòng)飛片原理示意圖Fig.1Schematic of laser－driven flyer plates

本文中，在前人研究的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)研究激光光束特性和飛片靶力學(xué)特性對(duì)飛片速度和完整性的影響，給出在飛片靶中添加Cr附加層、實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)射8km／s高速飛片的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備布局如圖2所示，激光器為Nd：YAG 調(diào)Q 脈沖激光器，工作波長(zhǎng)為1 064nm，脈沖寬度為15ns，單脈沖最大輸出能量為2J，初始光斑直徑約為13mm。第1個(gè)分光鏡獲得的光束采樣由激光能量計(jì)收集，以測(cè)量光束能量。第2個(gè)分光鏡獲得的光束采樣由光電接受器1收集，用于測(cè)量光束的時(shí)間譜，由示波器記錄，并確定飛片的發(fā)射時(shí)間。光束經(jīng)一焦距為400mm 的透鏡聚焦為直徑約為1mm的光斑，照射在飛片靶的金屬膜層上，驅(qū)動(dòng)出高速運(yùn)動(dòng)的金屬飛片。飛片飛行一段時(shí)間后撞擊在驗(yàn)證靶上，通過(guò)分析驗(yàn)證靶的撞擊形貌，確認(rèn)飛片的完整性。

圖2 激光驅(qū)動(dòng)飛片實(shí)驗(yàn)布局示意圖Fig.2System diagram of laser－driven flyer experiments

圖3 典型的示波器記錄圖像Fig.3 Typical oscillograph picture

He：Ne激光器（波長(zhǎng)670nm）發(fā)射的片激光設(shè)置于飛片的飛行路徑上，與飛行方向垂直。片激光的寬度（飛片飛行方向，也是飛片的厚度方向）約30μm，片激光的高度（飛片直徑方向）約1mm，片激光的能通量由光電接受器2監(jiān)測(cè)。當(dāng)飛片經(jīng)過(guò)片激光時(shí)，進(jìn)入光電接受器2的光通量下降，在示波器上形成一個(gè)下降沿，如圖3所示。因此，可獲得飛片到達(dá)片激光的時(shí)間。片激光與飛片靶之間的距離事先設(shè)定，通過(guò)測(cè)量飛片的發(fā)射時(shí)刻和飛片到達(dá)片激光的時(shí)刻，可計(jì)算獲得飛片的平均速度。

2 激光光束特性對(duì)飛片完整性的影響

產(chǎn)生飛片是激光驅(qū)動(dòng)飛片技術(shù)的前提，但并不是任何激光作用在飛片靶上均能發(fā)射出飛片。圖4是在激光能量空間均勻分布和存在強(qiáng)區(qū)2種狀態(tài)下進(jìn)行的飛片驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，其中左圖為激光光束的能量剖面，右圖為驗(yàn)證靶的飛片撞擊形貌。圖4顯示，當(dāng)激光能量空間分布均勻（“平頂型”或近“平頂型”）時(shí)，飛片撞擊靶板形成一個(gè)形狀規(guī)則、邊緣清晰的中心撞擊坑，其直徑與輻照光斑相當(dāng)，說(shuō)明飛片具有良好的完整性。相反，激光光束空間分布為高斯型或存在強(qiáng)區(qū)時(shí)，飛片撞擊靶板產(chǎn)生許多小坑，小坑分布區(qū)域明顯大于輻照光斑，說(shuō)明飛片在撞擊靶板前已破碎。上述結(jié)果說(shuō)明，激光能量空間分布均勻的光束更利于發(fā)射完整的飛片。這與前人的研究結(jié)論［2，17－21］一致。

飛片在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中破碎是因?yàn)榧す鉄g不均勻在飛片中引起的加速度分布梯度和應(yīng)力分布梯度。當(dāng)激光能量剖面存在強(qiáng)區(qū)時(shí)，輻照光斑內(nèi)飛片的燒蝕極度不均勻，形成巨大的加速度分布梯度和應(yīng)力分布梯度，導(dǎo)致輻照區(qū)內(nèi)的固態(tài)金屬膜層沒(méi)有同時(shí)飛出，兼或飛出后被很大的應(yīng)力差撕碎。當(dāng)激光能量剖面呈“平頂型”時(shí)，激光輻照形成平面沖擊波，輻照區(qū)內(nèi)的加速度分布梯度和應(yīng)力分布梯度較小，飛片整體飛出并在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持良好的完整性和平面性。

數(shù)值模擬的結(jié)果［22］顯示，當(dāng)激光能量剖面整體呈“平頂型”分布時(shí)，飛片的完整性和平面性對(duì)能量剖面的細(xì)節(jié)不敏感。這是因?yàn)?，激光燒蝕產(chǎn)生的等離子體是飛片加速的主要?jiǎng)恿υ矗w片的特性更依賴于等離子體的動(dòng)力學(xué)特性，而激光能量剖面中局部的微小缺陷不會(huì)引起等離子體狀態(tài)的明顯變化。因此，在實(shí)驗(yàn)中采用能量剖面整體呈“平頂型”的激光即可獲得完整性和平面性均良好的飛片。

圖4 2種不同的激光能量剖面及對(duì)應(yīng)條件下的飛片完整性Fig.4 Two kinds of laser energy profiles as well as corresponding flyer integrity

3 飛片靶金屬膜層力學(xué)特性對(duì)飛片速度的影響

3.1 膜基附著力的影響

由于玻璃基底材料和金屬薄膜的物理化學(xué)性質(zhì)差異較大，導(dǎo)致金屬膜層與基底之間的附著性較差，為飛片靶制備帶來(lái)困難。參考前人的經(jīng)驗(yàn)，本文在實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了基底／Cr／Al復(fù)合結(jié)構(gòu)的飛片靶，即在玻璃基底和金屬鋁膜層之間加入金屬Cr附加層，以提高鋁膜層（飛片膜層）與基底之間的膜基附著力F。同時(shí)制備了結(jié)構(gòu)為基底／Al的單膜飛片靶和結(jié)構(gòu)為基底／Cr／Al的復(fù)合結(jié)構(gòu)飛片靶，2種飛片靶的膜基附著力分析的劃痕測(cè)試結(jié)果（圖5）顯示，含Cr層復(fù)合飛片靶的膜基附著力遠(yuǎn)高于不含Cr層的飛片靶，即Cr附加層能極大地提高飛片靶的膜基附著力。相同激光參數(shù)下這2種飛片靶分別獲得的飛片速度v 如圖6所示，顯然，增加Cr層后飛片速度在總體上提高了近一倍。這說(shuō)明，飛片靶的膜基附著力也是影響飛片速度的一個(gè)重要因素，而且在一定范圍內(nèi)隨附著力的增大，飛片速度也將增大。這是因?yàn)楦街υ龃蠛螅入x子體受到的約束作用增強(qiáng)，吸收了更多的激光能量E 而具有更高的內(nèi)能和壓力，使得飛片獲得了更多的動(dòng)能，表現(xiàn)為飛片速度增大。

圖5 不同飛片靶劃痕測(cè)試結(jié)果Fig.5 Adhesion test results of different flyer targets

圖6 不同飛片靶飛片發(fā)射速度Fig.6 Flyer velocity of different flyer targets

3.2 飛片膜層的強(qiáng)度和韌性的影響

飛片靶金屬膜層的強(qiáng)度不僅是飛片完整性的重要影響因素，還是激光能量耦合效率的重要影響因素。因此，本文中采用不同的工藝在玻璃基底上制備了多種結(jié)構(gòu)的飛片靶，包括用離子束濺射方法制備的結(jié)構(gòu)為基底／Al的鋁單膜飛片靶，Al膜層厚3μm；用場(chǎng)輔助熱擴(kuò)散法將13μm 厚的商用鋁箔直接粘貼在基底上制得的鋁箔飛片靶；用離子束濺射法制備的結(jié)構(gòu)為基底／Cr／Al的鋁／鉻復(fù)合結(jié)構(gòu)飛片靶，Al膜層分別厚3、5、9和10μm；以及采用電子束蒸發(fā)法制備的結(jié)構(gòu)為基底／Cr／Al的鋁／鉻復(fù)合結(jié)構(gòu)飛片靶，Al膜層分別厚3、5、9和10μm。其中，鋁／鉻復(fù)合結(jié)構(gòu)飛片靶中Cr附加層的厚度均為50nm。

利用上述飛片靶進(jìn)行了飛片驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，發(fā)射飛片后的飛片靶形貌如圖7所示。在本文研究范圍內(nèi)，鋁單膜飛片靶驅(qū)動(dòng)位置邊緣處的金屬膜層呈現(xiàn)清晰的剪切形貌，沒(méi)有拉伸、撕裂或鼓包等現(xiàn)象，并能夠清晰看到等離子體濺射留下的痕跡，如圖7（a）所示。鋁箔飛片靶則全部存在拉伸現(xiàn)象，如圖7（b）所示，最大拉伸長(zhǎng)度超過(guò)600μm；激光能量增加后拉伸程度降低，而當(dāng)激光能量較低不足以發(fā)射飛片時(shí)，則形成錐形鼓包，與圖7（e）中的鼓包現(xiàn)象［23］類似。對(duì)于鋁／鉻復(fù)合結(jié)構(gòu)飛片靶，則觀測(cè)到2種不同的形貌，一種是清晰的剪切形貌，如圖7（c）所示；另一種是有輕微拉伸效應(yīng)（拉伸長(zhǎng)度小于100μm）且大面積不規(guī)則鼓包的形貌，如圖7（d）所示，黑色為鼓包區(qū)。

綜合分析圖7所展現(xiàn)的各種鼓包、拉伸現(xiàn)象，可知金屬膜層的強(qiáng)度和韌性都是影響飛片特性的重要因素。如果金屬膜的強(qiáng)度較低且韌性較差，則飛片內(nèi)的應(yīng)力分布梯度和加速度分布梯度極易造成飛片破碎，無(wú)法形成完整的飛片；而且金屬膜層的強(qiáng)度和韌性較低時(shí)，等離子體受到的約束作用較弱，難以對(duì)飛片產(chǎn)生較大的沖量作用，從而不能獲得高速飛片。如果金屬膜層的強(qiáng)度和韌性很高，則飛片在形成過(guò)程中需要消耗更多的激光能量，不利于發(fā)射高速飛片，但較高的強(qiáng)度和韌性能夠保證飛片的完整性；圖7（b）中強(qiáng)烈的拉伸效應(yīng)由鋁箔過(guò)高的韌性導(dǎo)致，這種影響會(huì)降低飛片的平面性，但利于保持飛片的完整性。因此，當(dāng)膜層強(qiáng)度和韌性適中時(shí)，既能保持飛片的完整性和平面性，又能對(duì)等離子體形成較好的約束作用，獲得較高的飛片速度。圖7（d）中的鼓包現(xiàn)象還反映飛片靶的膜基附著力較弱，而且分布不均勻。如果附著力較弱而強(qiáng)度較高，金屬膜在拉伸應(yīng)力作用下就會(huì)剝離基底而形成鼓包現(xiàn)象，大面積的鼓包會(huì)加速等離子體的壓力卸載，影響等離子體的動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)飛片產(chǎn)生不利影響。

圖7 發(fā)射飛片后的飛片靶形貌Fig.7 Morphologies of flyer targets after launching

為了進(jìn)一步分析飛片靶力學(xué)特性對(duì)激光能量耦合效率的影響，圖8給出了不同結(jié)構(gòu)飛片靶的激光能量耦合效率β 隨激光能量密度P 的變化曲線，飛片靶均采用離子束濺射法制備，其中除1＃號(hào)飛片靶外，其余均含有Cr附加層。

首先，圖8說(shuō)明激光能量的耦合效率隨激光能量密度的變化而變化，而且存在一個(gè)極大值。起先，隨著激光能量密度的升高，激光能量耦合效率逐漸升高，在激光能量密度達(dá)到一定值時(shí)，激光能量耦合效率達(dá)到極大值；然后，隨著激光能量密度的升高，激光能量耦合效率開(kāi)始下降；越過(guò)極大值后，即使激光能量繼續(xù)升高，能夠轉(zhuǎn)化為飛片動(dòng)能的部分也很有限。這一耦合效率極大值與飛片靶的結(jié)構(gòu)、飛片的物理特性以及激光參數(shù)等諸多因素相關(guān)。

其次，從圖8可清晰看出，飛片靶中添加Cr附加層后，激光能量的耦合效率大幅提高。這是因?yàn)镃r附加層在提高飛片靶膜基附著力的同時(shí)，也使Al膜層具有更好的致密性，增強(qiáng)了膜層強(qiáng)度，使等離子體受到較強(qiáng)的約束作用而積累更多的內(nèi)能，對(duì)飛片造成更多的沖量作用，提高了激光能量的耦合效率。因此，金屬膜層的強(qiáng)度直接影響激光能量的耦合效率，Cr附加層可有效提升飛片靶膜層的強(qiáng)度。

因此，在飛片靶的設(shè)計(jì)和制備過(guò)程中，飛片靶的膜基附著力、金屬膜層的強(qiáng)度和韌性三者之間需要保持一定的匹配關(guān)系，且膜基附著力要分布均勻。

4 8km／s高速飛片的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

高質(zhì)量的飛片不僅應(yīng)具有良好的完整性和平面性，還應(yīng)具有較高的速度。從前文的分析可知，能量剖面呈“平頂型”的激光是發(fā)射高質(zhì)量飛片的基礎(chǔ)，含有Cr附加層的鉻／鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)飛片靶則具有較高的激光能量耦合效率，具有發(fā)射高速飛片的潛力。因此，本文中利用多種鉻／鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)飛片靶進(jìn)行了高速飛片驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖9所示，其中厚10μm的鉻／鋁飛片靶是采用電子束蒸發(fā)法制備的，其余飛片靶是采用離子束濺射法制備的，Cr層厚度均為50nm。圖9中還給出了用離子束濺射法制備的不含Cr層的3μm 鋁單膜飛片靶的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

從圖9可以看出，飛片靶中增加Cr附加層后，飛片速度獲得了顯著的提升，證明增大飛片靶的膜基附著力和金屬膜層的強(qiáng)度能夠提升飛片的發(fā)射速度。飛片速度隨激光能量的增加首先近似線性迅速增大，然后增速變緩，甚至發(fā)生速度降低的情形，這與圖8中激光能量耦合效率的變化一致。圖9 中10μm飛片的速度明顯高于9μm 飛片，這反映飛片靶的力學(xué)特性是飛片速度的重要影響因素。

在上述研究的基礎(chǔ)上，采用離子束濺射法在石英玻璃基底上制備了結(jié)構(gòu)為基底／Cr／Al的飛片靶，其中Cr層厚80nm，Al膜層厚3μm。將直徑為1mm、厚度為3μm 的鋁飛片穩(wěn)定加速至8km／s，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10～11所示。

圖8 飛片靶的激光能量耦合效率隨激光能量的變化Fig.8 Energy coupling efficiency varied with laser fluence

圖9 不同結(jié)構(gòu)飛片靶獲得的飛片速度Fig.9 Flyer velocities varied with laser fluence for different flyer targets

圖10 飛片速度隨激光能量的變化Fig.10 Flyer velocity varied with laser energy

圖11 飛片撞擊后驗(yàn)證靶的典型形貌Fig.11 Morphology of target after impact

圖10顯示，激光能量在0～380mJ之間時(shí)，飛片速度隨激光能量的增加而迅速增大，但速度具有一定的分散性；激光能量在380～800 mJ之間時(shí)，飛片速度隨激光能量的增加而緩慢增大，飛片獲得了8km／s的高發(fā)射速度，而且發(fā)射穩(wěn)定性好；激光能量在800mJ以上時(shí)，飛片速度基本保持不變，但分散性增大。從圖11可以清晰看出，飛片撞擊驗(yàn)證靶后，驗(yàn)證靶上形成了邊緣清晰的撞擊坑，說(shuō)明飛片具有良好的完整性。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，飛片靶具有良好的力學(xué)特性時(shí)，利用較低的激光能量就可實(shí)現(xiàn)高速飛片的穩(wěn)定發(fā)射。

5 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)研究了激光驅(qū)動(dòng)飛片技術(shù)中激光光束質(zhì)量和飛片靶力學(xué)特性對(duì)飛片速度、完整性和平面性的影響，并與前人的研究進(jìn)行了比較，獲得如下認(rèn)識(shí)：

（1）“平頂型”的激光能量剖面更利于產(chǎn)生狀態(tài)均勻的等離子體，減小飛片內(nèi)的加速度分布梯度和應(yīng)力分布梯度，能夠保證飛片的完整性；

（2）飛片靶金屬膜層的強(qiáng)度、韌性和飛片靶膜基附著力對(duì)飛片特性存在明顯影響，在飛片靶制備過(guò)程中應(yīng)注意保持膜基附著力、強(qiáng)度和韌性三者的匹配；

（3）在基底和鋁膜之間添加金屬Cr附加層，能夠顯著提升飛片靶的膜基附著力，同時(shí)改善金屬膜層的力學(xué)特性，利用這種復(fù)合結(jié)構(gòu)靶獲得了8km／s的高速飛片，而且實(shí)驗(yàn)重復(fù)性很好。

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