Krf激光照射約束層靶驅(qū)動產(chǎn)生高速飛片研究

殷 倩，湯秀章，李業(yè)軍，王 釗，田寶賢，張品亮

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Krf激光照射約束層靶驅(qū)動產(chǎn)生高速飛片研究

殷 倩，湯秀章，李業(yè)軍，王 釗，田寶賢，張品亮

（中國原子能科學(xué)研究院 核技術(shù)應(yīng)用研究所，北京 102413）

微小空間碎片的超高速撞擊對航天器性能有重要影響。為了研究撞擊損傷機制，在“天光一號”裝置上開展了KrF準(zhǔn)分子激光照射約束層靶產(chǎn)生高速飛片的實驗研究，利用成像速度干涉儀（Imaging-VISAR）對飛片自由面速度進行診斷。采用1.9J準(zhǔn)分子激光將10μm的Al飛片加速至12km/s，且整個過程為準(zhǔn)等熵加載。研究結(jié)果表明準(zhǔn)等熵加載下激光能量轉(zhuǎn)化為飛片動能的效率（達39.4%）比沖擊加載要高得多，飛片速度也高于后者。

KrF準(zhǔn)分子激光；空間碎片模擬；約束層靶；高速飛片；能量轉(zhuǎn)化效率；試驗研究

0 引言

在空間碎片高速撞擊效應(yīng)的實驗室模擬研究中，相較于眾多的飛片驅(qū)動技術(shù)，激光驅(qū)動飛片技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、發(fā)射成本低的優(yōu)點，既可以模擬單次超高速撞擊效應(yīng)，又可以模擬連續(xù)累積撞擊效應(yīng)，因此近年來在航天領(lǐng)域受到廣泛重視[1-4]。此外，由于該技術(shù)還在動高壓加載上具有優(yōu)勢，使得其在高能量密度物理、狀態(tài)方程、材料物理、炸藥的快速起爆和微成型等很多研究領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用[5-9]。

激光驅(qū)動高速飛片通常有兩種方式：激光直接照射飛片靶和激光照射帶有約束層的飛片靶。前者是將高功率的激光作用于飛片靶，使靶材因吸收

激光能量而升華并電離形成高溫高壓等離子體；等離子體膨脹而對飛片靶產(chǎn)生剪切力作用，被剪切而分離的飛片在沖擊波的作用下實現(xiàn)高速飛行。日本大阪大學(xué)的Okada等人[10]曾利用1031J的KrF激光直接將金屬飛片驅(qū)動到23km/s的速度；中國原子能科學(xué)研究院的田寶賢等人[11]利用百J級KrF激光直接驅(qū)動鋁飛片靶，也得到了約10km/s的速度。直接照射飛片靶的方式需要足夠大的驅(qū)動能量，而大型激光發(fā)射裝置成本較高，不利于空間碎片累積撞擊效應(yīng)的研究。相比之下，對于激光照射帶有約束層的飛片靶發(fā)射技術(shù)[12-14]，由于約束層的存在，可實現(xiàn)等離子體單向膨脹，并且壓力波脈寬

可展寬7倍，如此一來能量耦合效率可提高2個數(shù)量級，因此只需百mJ的激光能量就可以獲得幾km/s的飛片速度。盡管受到約束層損傷閾值的限制，激光能量不能太高，很難得到10km/s以上的速度[2]，但約束層飛片靶發(fā)射技術(shù)所得到飛片的平面性與完整性較好。由于空間碎片的速度多在

10km/s以上，最高可達15km/s，一些微流星體的速度為72km/s，故約束層飛片靶發(fā)射技術(shù)從速度上很難滿足碎片研究的需要，使得如何提高約束層飛片靶發(fā)射技術(shù)的飛片速度成為重要的研究課題。

激光驅(qū)動飛片通常采用激光脈沖沖擊加載方式，它的缺點是能量耦合效率不高，飛片的完整性不夠好。為了獲得更高速度的飛片，我們嘗試采用長脈沖的KrF準(zhǔn)分子激光驅(qū)動約束層靶，這種方式具有波長短（248nm）、脈寬長（28ns）、光束均勻性好等優(yōu)點，有利于獲得高速高質(zhì)量的飛片。

1 試驗設(shè)置

激光照射約束層飛片靶的驅(qū)動試驗原理如圖1所示。其中KrF激光是由中國原子能科學(xué)研究院的“天光一號”激光輻照系統(tǒng)[15]提供，波長為248nm，激光輸出的平頂焦斑尺寸為500μm，輸出能量在百J量級。該激光系統(tǒng)利用誘導(dǎo)空間非相干（ISI） 的光束平滑技術(shù)，種子光經(jīng)像傳遞及角多路（Master Oscillator Power Amplifier）光學(xué)系統(tǒng)傳輸?shù)筋A(yù)放大器和主放大器實現(xiàn)兩級放大，6束激光聚焦到靶的光斑不均勻度優(yōu)于2%。良好的激光空間均勻性利于得到完整飛片。試驗用的約束層靶制備是在4mm厚石英晶體材料的基底上采用磁控濺射方法涂鍍10μm厚的Al膜。

試驗中，激光透過石英晶體直接輻照到Al膜表面，并作用于Al膜而產(chǎn)生飛片。驅(qū)動激光的脈沖波形如圖2所示。為了具有一定平頂?shù)念惛咚狗植迹笊仙剌^長，達18ns。

飛片速度利用配有條紋相機的成像速度干涉儀Imaging-VISAR[16]進行測量，其測量基本原理是：探測光照射在運動表面并反射時，產(chǎn)生基于多普勒頻移所引起的干涉條紋移動數(shù)，根據(jù)條紋移動數(shù)可確定速度大小。，其中()和0分別為時刻速度和初始速度；為干涉儀兩臂的光程差；是由于光的頻率變化引起的修正項，以上均為已知量，故根據(jù)條紋移動數(shù)()即能夠?qū)崟r準(zhǔn)確反映自由面運動速度隨時間的變化關(guān)系。試驗中，條紋相機工作在7檔，時間分辨率為123.1ps/pixel，全屏幕時間為100ns；干涉儀標(biāo)準(zhǔn)具是厚度為20mm的石英，條紋常數(shù)為2.5km/s。

圖1 激光驅(qū)動飛片試驗原理示意圖

圖2 激光脈沖時間波形

2 試驗結(jié)果與分析

激光驅(qū)動約束層靶所得干涉條紋如圖3所示，其中激光能量為1.9J（功率密度約為3.5×

1010W/cm2）；靶的參數(shù)為4mm石英約束層，10μm的Al膜；干涉條紋共移動了約4.8個條紋數(shù)，最終求得自由面速度約為12km/s。圖4是根據(jù)圖3所示的干涉條紋得到的飛片自由面速度變化曲線；圖5所示結(jié)果是通過拉格朗日方程，由飛片靶自由面速度計算得到相鄰點應(yīng)力加載歷史并向內(nèi)部空間推進，最終反演得到前表面壓力加載歷史。

圖3 激光驅(qū)動飛片的干涉條紋

圖4 飛片自由面速度曲線

圖5 前表面壓力加載曲線

由圖4可見，自由面速度是增加的，最終趨于一個穩(wěn)定速度。圖5說明激光加載過程中飛片前表面壓力并不是一直處于上升狀態(tài)，也出現(xiàn)壓力下降：由于壓縮波輸運到飛片自由面處發(fā)生卸載作用，反射的稀疏波傳輸?shù)斤w片前表面處造成加載壓力下降，稀疏波結(jié)束后前表面壓力又開始上升，待壓縮波輸運到自由面后又會反射回稀疏波，造成前表面壓力再次下降；在激光脈沖期間經(jīng)過多次壓縮波與稀疏波的共同作用，將飛片加載到一個較高的速度；最后當(dāng)飛片內(nèi)壓力趨于零時，自由面速度就是飛片速度。所以在整個激光脈沖加載過程中都沒有出現(xiàn)壓力躍變，干涉條紋是連續(xù)的，即激光加載是準(zhǔn)等熵過程。

由1.9J激光通過準(zhǔn)等熵加載將直徑700μm、厚度10μm的Al飛片加速到12km/s。根據(jù)飛片質(zhì)量和速度，可計算得到飛片動能為0.75J，則激光能量轉(zhuǎn)化為飛片動能的效率為39.5%。

3 與沖擊加載方式的對比分析

為了將準(zhǔn)等熵加載結(jié)果與激光脈沖沖擊加載方式進行對比，我們根據(jù)試驗條件，通過沖量定理計算了沖擊加載下可能所得的最終飛片速度，具體計算參考文獻[17]的理論模型。在激光脈沖作用期間，激光對飛片靶的沖量是激光對靶材的各種壓力的時間累積效應(yīng)：主要有光壓引起的沖量、噴射物質(zhì)造成的反沖沖量和等離子體誘導(dǎo)的沖擊波對靶的沖量等。在我們的試驗強度條件下，前兩種影響很小可以忽略，主要考慮等離子體誘導(dǎo)的沖擊波對靶的沖量。

假定激光為矩形脈沖；在激光作用期間，沖擊波壓力維持不變，近似視為一維處理。石英作為約束層[18]，沖擊波壓力s同作用在飛片表面的激光功率密度成正比。激光脈沖作用結(jié)束后，沖擊波在橫向和縱向都發(fā)生衰減，應(yīng)視為二維流場進行計

算[17]。設(shè)激光脈寬為P，定義沖擊波二維運動的特征時間為2D，即波前擴張到光斑直徑距離時所需時間。

式中：s是激光光斑直徑；L是波的傳播速度。由于P≥2D，故可將沖擊波作用過程分為兩個階段： 當(dāng)0≤≤2D時，沖擊波壓力不變，飛片所受壓力不變，計算得到此階段的沖量為1；當(dāng)＞2D時，必須考慮等離子體和沖擊波的二維擴散效應(yīng)，這時波呈球面衰減，計算得到此階段的沖量為2，且有

忽略激光對飛片靶表面燒蝕造成的質(zhì)量損失，對于尺寸為10μm×700μm的飛片，其質(zhì)量為1.04× 10-5g；在激光功率密度為3.5×1010W/cm2、飛片所處環(huán)境壓力為10Pa的條件下，1.9J的KrF激光通過沖擊加載可將Al飛片加速至7km/s，對應(yīng)的激光能量轉(zhuǎn)化為飛片動能的效率為13.4%。

文獻[19-20]利用小型脈沖YAG激光器（波長1064nm）在能量300～700mJ的范圍內(nèi)將帶有約束層的10μm厚的Al飛片（其直徑0.5～0.8mm）經(jīng)沖擊加載方式加速到3.1km/s，其能量轉(zhuǎn)化效率為2.6%～9.0%。而通過準(zhǔn)等熵加載得到的速度為12km/s，對應(yīng)的激光能量轉(zhuǎn)換為飛片動能的效率為39.5%，無論在速度還是能量轉(zhuǎn)換效率上均優(yōu)于沖擊加載方式。究其原因主要是由于KrF激光脈沖前沿較長（18ns）、脈沖寬度較寬（28ns），使得靶上激光功率密度上升緩慢，壓縮波加載速率較低，有效避免了沖擊加載方式中溫度劇烈升高而使吸收的激光能量大部分轉(zhuǎn)化為飛片內(nèi)能。也就是說，準(zhǔn)等

熵加載方式溫升很小，吸收的激光能量主要都轉(zhuǎn)化為飛片的動能；此外KrF激光波長短，激光吸收效率也比長波長的要高。因此，利用KrF激光通過準(zhǔn)等熵加載方式驅(qū)動約束層靶能夠獲得較高速度的飛片。

4 結(jié)束語

采用“天光一號”激光裝置輸出的KrF準(zhǔn)分子激光驅(qū)動10μm厚帶有約束層的飛片靶，獲得了速度為12km/s的高速飛片。由于KrF準(zhǔn)分子激光具有高均勻性、短波長、長脈沖前沿、大脈寬等特點，使得加載過程是準(zhǔn)等熵的，激光能量轉(zhuǎn)化為飛片動能的效率可達到39.5%，比沖擊加載方式的轉(zhuǎn)換效率要高得多。因此，利用KrF驅(qū)動約束層靶產(chǎn)生超高速飛片是一種較好的技術(shù)途徑，可用于微小空間碎片對航天器的高速撞擊效應(yīng)研究。

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（編輯：肖福根）

High-speed flyers driven by KrF laser irradiatied flyer-targets with substrate

Yin Qian, Tang Xiuzhang, Li Yejun, Wang Zhao, Tian Baoxian, Zhang Pinliang

(Department of Nuclear Technology Application, China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413, China)

The effects of the micro-space debris hypervelocity impact on the properties of spacecraft are significant. In order to study the mechanism of the impact damage, this paper studies experimentally the launching high speed flyer by using HEAVEV-I KrF excimer laser irradiating flyer targets with substrate，and the velocity of the flyer is diagnosed by Imaging-VISAR. The experimental results show that the velocity of the flyer of 10μm thickness is up to 12km/s driven by 1.9J KrF excimer laser. The efficiency of the laser energy translated to the kinetic energy of the flyer can be up to 39.4%. And the process of loading is quasi-isentropic. The experiments indicate that the efficiency of the laser energy translation into the kinetic energy of the flyer of quasi-isentropic loading is much higher than the shocking load.

KrF excimer laser; space debris simulation; target with substrate; high-speed flyer; energy conversion efficiency; experimental study

V524.3

A

1673-1379(2016)03-0300-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.03.012

殷 倩（1990—），女，碩士研究生，專業(yè)方向為等離子體物理研究；E-mail: yinqianqiana@163.com。指導(dǎo)教師：湯秀章（1966—），男，研究員，博士生導(dǎo)師，從事激光及其與物質(zhì)相互作用的研究。

2015-12-31；

2016-04-27

國家自然科學(xué)青年基金項目（編號：11505299）

http://www.bisee.ac.cn E-mail: htqhjgc@126.com Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544