基于激光驅(qū)動的復(fù)合飛片參數(shù)與性能

覃文志, 王 猛, 陳清疇, 蔣小華

(中國工程物理研究院化工材料研究所, 四川 綿陽 621999)

1 引 言

激光驅(qū)動飛片技術(shù)是近年來發(fā)展的一種動高壓加載技術(shù)，并由于其高瞬發(fā)度、高加載壓力等特點受到廣泛關(guān)注。當(dāng)輻照在透明窗口后的激光束能量密度達(dá)到一定的閾值后，窗口表面的金屬膜將被燒蝕、汽化并產(chǎn)生等離子體，產(chǎn)生強(qiáng)應(yīng)力波并加速金屬或塑料飛片，速度最高可達(dá)上萬米每秒[1-2]。而在這一能量轉(zhuǎn)化的過程中，激光照射到飛片材料上并燒蝕飛片產(chǎn)生等離子體的過程會損失較大一部分能量，導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)化效率低，影響飛片速度。因此，提高能量轉(zhuǎn)化效率，在更低的能量下獲得較高的飛片速度，是激光驅(qū)動飛片的關(guān)鍵技術(shù)之一。

目前，國內(nèi)外主要通過制備復(fù)合飛片來提高對激光的能量利用率。復(fù)合飛片通常由吸收層、燒蝕層、隔熱層和飛片層構(gòu)成。吸收層通常由顏色較深的材料制備，能夠提高對激光的吸收效率，減少反射損失的能量; 燒蝕層作為等離子體形成的動力源材料，受到激光輻照后形成大量等離子體并迅速膨脹做功; 隔熱層則在一定程度上阻礙等離子體過度膨脹帶來的能量損失，同時可防止激光的過度燒蝕破壞飛片層的完整性; 飛片層則是作為最終的加載對象形成飛片。這一結(jié)構(gòu)形式目前已經(jīng)被研究證明在提高飛片速度上是行之有效的。Farnsworth[3]和Trott[4]等在Al飛片中加入Al2O3作為絕熱層，使飛片速度提高了30%。Stahl[5]和Labaste等[6]采用Ge和炭黑作為吸收層，飛片速度分別提高了11%和27%。Bowden[7]研究了C、Ti作為吸收層，Mg、Ge、Ti作為燒蝕層對飛片速度的影響，采用光子多普勒測速儀(PDV)對飛片速度進(jìn)行了測試，結(jié)果表明Ti作為吸收層能夠使復(fù)合飛片獲得較高的耦合效率。代福等[8]在飛片中增加了Cr和Al2O3作為隔熱層，提高了Al飛片與基底之間的附著力，使飛片速度提高了近1倍[8]。吳立志等[9]也詳細(xì)論述了復(fù)合飛片各層在提高飛片速度上的作用機(jī)制[9]。國內(nèi)外學(xué)者在復(fù)合飛片的研究上均獲得了不同的規(guī)律性成果，但目前的研究很少涉及復(fù)合飛片各層厚度對飛片速度的影響，而這一規(guī)律在復(fù)合飛片的具體設(shè)計上具有指導(dǎo)意義，需要進(jìn)一步開展研究。

因此，本研究通過PDV表征不同參數(shù)的復(fù)合飛片速度，以期得到不同厚度、不同材料的復(fù)合飛片參數(shù)對飛片速度的影響規(guī)律。

2 實驗過程

2.1 復(fù)合飛片制備

共制備了7種不同參數(shù)的復(fù)合飛片，分別從吸收層材料及厚度、燒蝕層和隔熱層的厚度等方面來探討其對飛片速度的影響規(guī)律。其中吸收層、燒蝕層和隔熱層均采用磁控濺射的方式鍍于藍(lán)寶石窗口上，如圖1所示。而飛片層則直接采用厚度為20 μm的Al箔貼附在表面。復(fù)合飛片各層參數(shù)如表1所示。

圖1復(fù)合飛片實物圖(不包含飛片層)

Fig.1Physical map of multi-flyers(without flyer layer)

Ti和C均為吸收層常用材料，因其較深的顏色可進(jìn)一步提高激光的吸收效率。從圖1和表1可知，Ti比C材料在相同厚度下顏色更深。Bowden[7]研究發(fā)現(xiàn)，Ti作為吸收層，由于本身受激光輻照后可以形成等離子體，因此比C作為吸收層能量利用效率更高，但具體厚度對飛片速度的影響尚無報道。作為燒蝕層和隔熱層的Al和Al2O3厚度也需嚴(yán)格控制，兩者需要合理匹配才能獲得較高的飛片速度，太厚或者太薄均不能達(dá)到預(yù)期效果。

表1復(fù)合飛片參數(shù)

Table 1 Parameters of multi-flyers μm

2.2 實驗裝置

圖2為實驗裝置示意圖。激光束通過透鏡聚焦于飛片上，聚焦光斑直徑約為1.2 mm。透明窗口采用2 mm厚的藍(lán)寶石材料制成，加速膛采用不銹鋼材料制成，尺寸為Φ1 mm×0.2 mm。

試驗采用PDV測試飛片速度。PDV利用光學(xué)多普勒效應(yīng)，捕捉運(yùn)動物體的反射光并與初始參考光的頻率進(jìn)行比較，經(jīng)過分析頻差計算得到物體的運(yùn)動速度。這一信號采集過程需要高帶寬和采樣率的示波器來保證信號不失真，整套裝置集成度高，測試過程簡單，在小飛片的速度測試上能夠獲得較好的效果。

圖2測試裝置示意圖

Fig.2Schematic diagram of experimental set-up

測試時采用33 GHz帶寬、100 GS/s采樣率泰克示波器。激光器采用小型ND: YAG固體激光器，波長1064 nm，帶寬8 ns。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 實驗結(jié)果

對表1所列的7種不同參數(shù)的復(fù)合飛片速度進(jìn)行了測試。飛片反射的光信號通過光纖及光電轉(zhuǎn)換器由示波器記錄，獲得的原始數(shù)據(jù)如圖3所示。PDV系統(tǒng)的處理程序是將示波器獲得的頻率信號通過快速傅里葉變換(Sliding Fast Fourier Transform, SFFT)處理為速度曲線，并保存為圖片格式，如圖4所示。

從圖4看出，激光驅(qū)動飛片具有很高的初始加速度，飛片在極短的時間內(nèi)速度迅速增大，僅需0.1 μs左右即可達(dá)到最高。為了獲得各層參數(shù)對飛片速度的影響特性，對飛片被加載的最大速度進(jìn)行了對比，以此分析不同參數(shù)復(fù)合飛片對激光的能量利用效率。主要從吸收層、燒蝕層和隔熱層對速度的影響進(jìn)行分析。

圖3PDV原始數(shù)據(jù)

Fig.3Raw data from PDV

圖4快速傅里葉變換(SFFT)后的速度曲線圖像

Fig.4Velocity profiles after SFFT

3.2 吸收層對飛片速度的影響

分別在200,250，300 mJ能量下研究了1#～4#飛片激光驅(qū)動速度。不同飛片最大速度對比如圖5所示。

a. 0.15 μm

b. 0.3 μm

圖5不同厚度Ti及C做為吸收層的飛片最大速度

Fig.5The maximum velocity of multi-flyer with different thickness of Ti and C

從圖5可以看出，在相同的厚度下，Ti作為吸收層能夠獲得比C獲得更高的飛片速度。圖5a顯示，在厚度為0.15 μm條件下，Ti作為吸收層其飛片速度比C高約500～700 m·s-1左右; 圖5b顯示，厚度為0.3 μm時，Ti作為吸收層可獲得比C高出100～300 m·s-1的速度，增大的幅度明顯小于0.15 μm厚度條件。這一結(jié)果與Bowden[7]的結(jié)論基本一致，由于Ti本身作為金屬材料，在激光燒蝕過程中可以轉(zhuǎn)化成等離子體，對驅(qū)動飛片貢獻(xiàn)一部分能量，因此效果好于C材料。

比較圖5a、圖5b: 0.15 μm厚的Ti和C材料作為吸收層，均比0.3 μm厚時的飛片速度更高。表明在200～300 mJ這一激光能量范圍下，較薄的吸收層能夠獲得更為理想的效果。獲得的飛片最大速度值見表2。

表2不同吸收層參數(shù)飛片速度對比

Table2Maximum velocity of multi-flyer with different absorption layers

sampleflyerstructurethickness/μmlaserenergy/mJvelocity/m·s-120017151#Ti+Al0.15/202502119300257320010602#C+Al0.15/202501261300176620011353#Ti+Al0.3/20250158930017664#C+Al0.3/2020010092501435

表2顯示，隨著能量的增大，飛片速度均有所增加。在前期工作中，已獲得200 mJ能量下20 μm單層Al飛片的速度，最大值約為816 m·s-1[10]。從此次實驗結(jié)果來看，吸收層的增加能夠大幅提高飛片速度，其中0.15 μm厚的Ti作為吸收層的1#飛片提升的速度最大，較單層飛片提高約110%。文獻(xiàn)[10]報道以0.05 μm的C作為吸收層，在200 mJ激光能量下可使20 μm的Al飛片速度達(dá)到1473 m·s-1，高于此次試驗中2#飛片及4#飛片的速度，表明C作為吸收層其厚度應(yīng)低于0.15 μm。

3.3 燒蝕層和隔熱層對飛片速度的影響

采用表1中5#、6#及7#飛片研究燒蝕層和隔熱層對飛片速度的影響。為了與文獻(xiàn)[10]中單層飛片速度進(jìn)行對比，實驗時激光能量均采用200 mJ。由于文獻(xiàn)[10]中已對Al/Al2O3/Al結(jié)構(gòu)、厚度0.3 μm/1.0 μm/20 μm的復(fù)合飛片速度進(jìn)行了測試，因此本次實驗未對其重復(fù)測試，僅引用最大速度結(jié)果進(jìn)行對比。對每種參數(shù)飛片均測試了3發(fā)，獲得的平均最大速度如表3所示。

表3不同燒蝕層/隔熱層參數(shù)的飛片最大速度

Table3Maximum velocity of multi-flyer with different insulation/ablation layer

sampleflyerstructurethickness/μmlaserenergy/mJvelocity/m·s-15#6#7#literature[10]Al+Al2O3+Al0.7/1.5/200.7/1.0/200.3/1.5/200.3/1.0/2020065079011501650

從表3可知： ①燒蝕層與隔熱層的厚度需要合理匹配才能獲得較好的結(jié)果，如7#飛片，其速度較單層飛片提高了41%。如果厚度匹配不當(dāng)，則反而會降低飛片速度，如5#及6#飛片。②表明相同燒蝕層厚度下，隔熱層厚度1.0 μm比1.5 μm的復(fù)合飛片速度

更高。由于隔熱層由Al2O3構(gòu)成，密度較大且導(dǎo)熱率低，過厚會過度阻礙等離子體的膨脹，從而降低飛片速度。從這一結(jié)果可基本判斷隔熱層厚度應(yīng)控制在1.5 μm以下。③表明在相同隔熱層厚度條件下，燒蝕層為0.3 μm比0.7 μm的復(fù)合飛片速度更高。這說明在200 mJ能量下，激光燒蝕深度較淺，較厚的燒蝕層使得隔熱層未能有效作用，反而作為飛片被驅(qū)動，由于隔熱層密度較大，附著在飛片后面反而會降低飛片速度，從而造成燒蝕層厚度為0.7 μm的復(fù)合飛片速度比單層Al飛片更低。

3.4 能量耦合效率分析

根據(jù)測試結(jié)果，結(jié)合200 mJ能量下幾種材料的最大飛片速度，對飛片的能量利用效率進(jìn)行了簡單分析。結(jié)果如表4所示。

表4各材料復(fù)合飛片最大速度

Table4Maximum velocity of several multi-flyers

sampleflyerstructurethickness/μmvelocity/m·s-1laserenergy/mJenergyutilization/%literature[10]1#2#7#6#literature[10]AlTi+AlC+AlAl+Al2O3+AlC+Al+Al2O3+Al20 8160.15/20 17150.15/20 10600.3/1.5/20 11500.7/1.0/20 7900.05/0.7/1.0/20 2132200 6.9 31.1 11.9 14.1 6.6 47.4

分別將1#與2#、6#與7#飛片對比可以看出，吸收層對飛片能量耦合效率貢獻(xiàn)最大，在其余各層參數(shù)一致的條件下，吸收層的加入可大幅提高耦合效率，但厚度不宜太厚，否則會大大影響飛片速度。在激光驅(qū)動單層飛片過程中，飛片對激光的反射作用損失的能量可高達(dá)40%以上，是對能量耦合效率影響最大的因素。因此從這一環(huán)節(jié)入手減少來能量損失，效果最為顯著。

文獻(xiàn)[10]中加入了吸收層、燒蝕層、隔熱層的四層復(fù)合飛片能量耦合效率最高，速度較單層飛片提高了近2倍，耦合效率達(dá)到47.4%。表明復(fù)合飛片在厚度得到合理的控制后，吸收層、隔熱層均能夠有效發(fā)揮作用，從而大幅提高能量耦合效率。將其與6#飛片進(jìn)行對比，表明在加入了0.05 μm厚的C作為吸收層后，速度得到大幅提升。

3.5 加速距離分析

飛片加速距離直接關(guān)系到激光驅(qū)動飛片系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計。加速膛厚度的設(shè)計應(yīng)盡量保證飛片能夠達(dá)到最大速度，但同時過長的加速距離會使飛片速度降低并發(fā)生卷曲、偏轉(zhuǎn)等現(xiàn)象，因此需盡量控制在飛片達(dá)到最大速度的距離。

將PDV測到的飛片速度曲線進(jìn)行積分，即可獲得加速距離與時間的關(guān)系。由于飛片參數(shù)較多，因此僅以表4中的1#、2#、6#飛片為例。采用Origin軟件將幾種復(fù)合飛片速度及加速距離曲線進(jìn)行對比，如圖6所示。

圖6幾種復(fù)合飛片速度、加速距離與時間關(guān)系

Fig.6Thes-tandv-tcurves of several multi-flyers

圖6顯示，飛片加速時間基本在0.08 μs以內(nèi)，0.02 μs左右即可達(dá)到最大速度的90%。從距離-時間曲線可以看出，在0.08 μs左右時，1#復(fù)合飛片加速距離約為150 μm，6#飛片約為50 μm。隨著飛片速度的提高，加速距離會隨之增加。

4 結(jié) 論

(1) Ti作為吸收層比C效果更好，但不宜過厚，其厚度應(yīng)控制在0.15 μm 以下。

(2) 200 mJ能量下，激光燒蝕深度較淺，燒蝕層厚度應(yīng)控制在0.7 μm以下。

(3) 采用Al2O3作為隔熱層時厚度應(yīng)控制在1 μm以下，否則反而會降低飛片速度。

(4) 激光驅(qū)動飛片加速度較高，在0.02 μs左右即可達(dá)到最大速度的90%，在0.08 μs時基本可達(dá)到最大速度。

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