加速膛對激光驅(qū)動飛片速度及形貌的影響規(guī)律

覃文志，王志昊，何 碧，高 原，王 窈，王 亮

（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)作為一種高效的加載方法，廣泛應(yīng)用于爆轟物理［1-2］、空間科學(xué)［3］、精密加工［4］等領(lǐng)域，其基本原理是高能激光燒蝕透明基底上的薄膜（通常為金屬材料），產(chǎn)生高溫高壓等離子體，驅(qū)動剩余未燒蝕的薄膜快速運動形成高速飛片，其速度在百納秒時間尺度內(nèi)可達(dá)數(shù)十千米每秒［5-6］。在激光驅(qū)動飛片相關(guān)應(yīng)用中，飛片速度和形貌是影響其作用效果的兩個關(guān)鍵因素。在飛片速度的表征上，基于多普勒頻移和光學(xué)混頻技術(shù)的光子多普勒測速儀（Photonic Doppler Velocimetry，PDV）由于操作簡單、可實現(xiàn)同步多點測速等特點而得到廣泛應(yīng)用，該方法可獲得飛片速度曲線，從而實現(xiàn)對飛片速度成長歷程進(jìn)行深入分析。Maisey［7］、Seisson 等［8-10］采用 PDV 開展了大量飛片速度表征研究，南京理工大學(xué)［11-12］、中國工程物理研究院［13-15］等單位也采用該系統(tǒng)開展了大量試驗，充分論證了PDV 在飛片速度測試上的可行性和可靠性。在飛片形貌的表征上，陰影成像技術(shù)（Shadow graph）可從側(cè)面獲得形貌的變化歷程，同時系統(tǒng)搭建也相對簡單，近年來得到了較廣泛的應(yīng)用，如 Watson［16］、Bowden［17］和Mattle［18］等使用陰影成像技術(shù)成功獲得飛片飛行過程的側(cè)面影像，從而實現(xiàn)對飛片形貌的分析。

同時，為提高飛片的沖擊性能，國內(nèi)外通常采用加速膛來約束等離子體側(cè)向膨脹并限制稀疏波對等離子體的削弱作用［19-21］，以獲得更高的飛片速度和更好的形貌，但匹配不佳的加速膛參數(shù)同樣會對飛片速度和飛片形貌產(chǎn)生不利影響。從目前對激光驅(qū)動飛片的研究現(xiàn)狀來看，加速膛參數(shù)對飛片速度及形貌的影響研究并不多見，影響規(guī)律有待進(jìn)一步完善。

因此，本研究將PDV 及陰影成像技術(shù)結(jié)合，研究了不同加速膛條件下飛片速度成長歷程和飛片形貌變化過程，從而深入加速膛對激光驅(qū)動飛片速度及形貌的影響規(guī)律研究。

2 試驗裝置及樣品

2.1 試驗裝置

測試系統(tǒng)由PDV 系統(tǒng)及陰影成像測試系統(tǒng)共同構(gòu)成，原理圖見圖1。陰影成像系統(tǒng)的光源及增強型相機(jī)（ICCD）布局在飛片飛行路徑的側(cè)面，用于捕捉飛片形貌。PDV 系統(tǒng)的光纖探頭則固定在飛片飛行路線上并與加速膛口保持精確對準(zhǔn)，以獲得較為完整的飛片速度成長歷程。

激發(fā)飛片用的激光光源采用INNOLAS 公司的SpitLight600型脈沖固體激光器，激光波長為1064 nm，脈寬約11 ns，其光斑能量分布見圖2 所示。試驗所用激光能量為80 mJ，通過焦距60 mm 透鏡將激光聚焦于Al飛片靶表面，聚焦處的激光光斑直徑約400 μm。

圖2 光斑能量分布Fig.2 Energy distribution of the laser spot

PDV 測速系統(tǒng)采用105 μm 芯徑的光纖輸出激光并接收反射的光信號，使用33 GHz 高帶寬示波器記錄頻差信號，通過Matlab 分析獲得飛片速度曲線。陰影成像系統(tǒng)采用1 KHz 的飛秒激光作為光源，從飛片飛行路徑側(cè)面進(jìn)行照明，飛片在飛行過程中，飛秒激光器發(fā)出的照明激光被飛片遮擋住形成陰影，被另一側(cè)的ICCD 捕捉，從而獲得飛片運動過程中相應(yīng)時刻的側(cè)面影像。通過精密延時發(fā)生器對時間進(jìn)行納秒尺度的控制，從而可較為精確地對PDV 及陰影成像系統(tǒng)的觸發(fā)時刻進(jìn)行控制。由于陰影成像系統(tǒng)使用的ICCD僅能在設(shè)定的時刻進(jìn)行單幅拍攝，因而無法對同一飛片成長歷程進(jìn)行記錄，需通過對多發(fā)樣品在不同時刻下的飛片形貌進(jìn)行測試，最終獲得飛片變化過程。在樣品一致性較好的前提下，這一方式也可獲得較為理想的效果。

2.2 試驗樣品

試驗用飛片材料的Al 箔厚度為20 μm，設(shè)計了孔徑 為 600，800，1000，1300，1500 μm（長 度 均 為200 μm）和 長 度 為 200，500，700 μm（孔 徑 均 為1000 μm）等不同尺寸的加速膛。飛片通過密封脂貼附于厚度為2 mm 的藍(lán)寶石玻璃基底上，加速膛采用線切割工藝，垂直度控制在0.025 mm 以內(nèi)，并陣列式分布于相應(yīng)厚度的不銹鋼片上，便于在同一樣品上開展多發(fā)試驗，提高測試效率。試驗樣品如圖3 所示。

圖3 測試樣品剖面結(jié)構(gòu)示意圖及正面實物圖FFiigg3.Structural representation and photograph of the sample

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 加速膛孔徑的影響

采用 PDV 對加速膛孔徑為 600，800，1000，1300，1500 μm 下（加速膛長度為 200 μm）激光驅(qū)動飛片的速度進(jìn)行了測試，得到飛片速度曲線見圖4。對飛片速度曲線進(jìn)行積分，獲得了不同時刻下飛片的飛行距離。圖4 表明，加速膛孔徑對飛片速度的影響較小，且速度規(guī)律并未呈現(xiàn)隨著加速膛孔徑增大而變大或變小的趨勢。其中，孔徑為800 μm 的加速膛獲得的速度最高，約3100 m·s-1。加速膛孔徑為1500 μm 時，速度最低，約2700 m·s-1，兩者相差約13%。其他加速膛孔徑下飛片速度基本約為2900 m·s-1。

圖4 不同加速膛孔徑下的飛片速度及飛行距離Fig.4 Flyer velocity and distance with different diameter of barrels

同時，從圖4 還可看出，試驗采用的加速膛長度為200 μm 時，不同孔徑加速膛下飛片達(dá)到這一距離的時間為80～90 ns，此時，飛片速度基本已達(dá)到最大值，表明飛片在飛至加速膛出口時速度已經(jīng)加速到最大。

采用陰影成像測試系統(tǒng)對上述孔徑加速膛下的飛片形貌變化過程進(jìn)行了表征，結(jié)果見圖5。測試時，ICCD 從樣品側(cè)面進(jìn)行拍攝，因此僅能獲得飛片飛出加速膛后的狀態(tài)和形貌，而無法獲得加速膛內(nèi)部飛片形貌狀態(tài)。圖5 表明，飛出加速膛的初期，飛片呈球面波的方式向周圍膨脹，無法保持平整。從Al 材料的力學(xué)特性推斷，這一形貌狀態(tài)的Al 箔無法維持完整狀態(tài)，即表明此時的飛片基本已破碎。800～1500 ns 的測試結(jié)果表明，飛片呈碎片狀向前噴濺，少量飛片碎片在最前端高速飛行，另一部分飛片碎片在其后端聚集，飛行路徑方向上的沖擊波陣面基本與最前端飛片碎片保持一致。在1500 ns 后，飛片碎片向周圍空間進(jìn)一步擴(kuò)散。以上結(jié)果表明，單層Al 箔在這一激光加載下，難以形成平整的飛片，在出加速膛時就基本已破碎。分析認(rèn)為，圖2 所示的光斑能量不均勻分布導(dǎo)致激光作用在Al 箔表面上時，形成的等離子體存在強弱分布，激光能量密度高的區(qū)域其等離子體強度更高，造成Al 箔的燒蝕深度和驅(qū)動效應(yīng)的不均勻性，最終導(dǎo)致飛片碎裂，這與文獻(xiàn)［22］的結(jié)論一致。同時，較薄的Al 材料飛片在燒蝕后發(fā)生損傷，而且出膛時應(yīng)力波的卸載也是導(dǎo)致飛片破碎的原因之一，因而最終體現(xiàn)為不完整的飛片形態(tài)。

將陰影成像測試后的樣品進(jìn)行顯微拍照，見圖6 所示。照片中可觀測到激光作用后玻璃基底的燒蝕痕跡以及Al 箔的形貌。圖6a 從左至右依次為600，800，1000，1300，1500 μm 加速膛和 Al 箔在激光作用下形成的燒蝕孔的顯微照片及孔徑測量結(jié)果。圖6b 為對應(yīng)的藍(lán)寶石基底呈現(xiàn)的激光燒蝕斑痕，對這一燒蝕斑的直徑進(jìn)行了測量，大小為350～380 μm，這一結(jié)果也基本反應(yīng)了激光光斑的大小。由于燈泵浦固體激光器的每次脈沖特征都存在一定的波動，因此燒蝕的光斑大小也存在一定差別。從圖6a 中加速膛孔徑1000，1300，1500 μm 的照片可知，Al 箔受到激光燒蝕后，呈現(xiàn)類似于侵徹的形貌，Al 箔周圍外翻形成燒蝕孔，孔徑實測結(jié)果為780～840 μm，遠(yuǎn)大于光斑直徑。結(jié)合圖4的速度結(jié)果分析認(rèn)為，加速膛孔徑大于飛片燒蝕孔徑時，加速膛基本已無法起到約束和剪切飛片的作用，對速度結(jié)果將不產(chǎn)生明顯影響，因此孔徑1000，1300，1500 μm 加速膛下的飛片速度基本一致。而加速膛孔徑為800 μm 時，其大小基本與飛片被燒蝕的孔徑相當(dāng)，因此約束效果相對較好，能夠獲得稍高的飛片速度。加速膛孔徑進(jìn)一步減小至600 μm 時，飛片燒蝕孔邊緣侵徹的形貌已經(jīng)不明顯，表明此時飛片被剪切的效果更顯著，但由于加速膛孔徑小于燒蝕孔徑，部分能量作用在加速膛孔周圍，未能完全用于驅(qū)動Al 飛片，造成能量損失，因此比加速膛孔徑800 μm 下的飛片速度稍低。

圖5 不同孔徑加速膛的陰影成像測試結(jié)果Fig.5 Shadowgraph results with different diameter of barrels

圖6 陰影成像測試后加速膛口顯微圖像Fig.6 Photographs of the barrels after shadowgraph measurement

3.2 加速膛長度的影響

采用 PDV 對長度 200，500，700 μm 加速膛下（孔徑均為1000 μm）的飛片速度進(jìn)行了測試。獲得的速度曲線及飛行距離曲線見圖7。圖7 表明，飛片速度隨加速膛長度的增加而明顯降低。長度200 μm 加速膛下可達(dá)到的最大速度約為3000 m·s-1，加速膛長度增加至 700 μm 后，速度降低至 2200 m·s-1。文獻(xiàn)［23］認(rèn)為，過長的加速膛中，飛片前端的空氣在飛片運動時會產(chǎn)生激波，吸收飛片上的能量，從而導(dǎo)致飛片速度下降，與本研究的結(jié)果基本一致。同時圖7 中的加速距離曲線表明，不同長度加速膛下，飛片基本在100 ns左右可達(dá)到最大速度，而這一時刻下500，700 μm 的加速膛中飛片尚未飛出膛口，即飛片在膛內(nèi)就已達(dá)到最大速度。

圖7 不同加速膛長度下的飛片速度Fig.7 Flyer velocity with different length of barrel

采用陰影成像技術(shù)對上述長度加速膛長度下飛片形貌變化歷程進(jìn)行了表征，見圖8。圖8 表明，飛片飛出加速膛后均呈碎片狀向周圍噴濺，隨著加速膛長度的增加，飛片碎片在飛出膛口后的橫向擴(kuò)散明顯減弱，表明長加速膛對飛片碎片飛出膛口后的橫向擴(kuò)散有一定約束作用。從縱向的總體飛片碎片速度來看，隨著加速膛長度增加，飛片碎片的速度也基本呈現(xiàn)變緩的趨勢，這與PDV 獲得的飛片速度規(guī)律是一致的。

圖8 不同長度加速膛的陰影成像測試結(jié)果Fig.8 Shadowgraph results with different length of barrels

4 結(jié)論

（1）以單層Al 箔作為飛片材料時，直徑約400 μm的聚焦光斑可在Al箔上燒蝕形成約800 μm 的燒蝕孔。當(dāng)加速膛孔徑與燒蝕孔大小基本一致時，加速膛可形成最優(yōu)化的約束和剪切效果，獲得最大3100 m·s-1的飛片速度；加速膛孔徑大于燒蝕孔徑時，無法起到有效的約束和剪切作用，而小于燒蝕孔徑時，能量將在加速膛孔周圍損耗，飛片速度均有所降低。

（2）飛片速度隨加速膛長度的增加而明顯降低，200 μm 長的加速膛可獲得最大速度，且獲得最大速度的時刻基本接近飛出膛口的時刻。隨著加速膛長度的增加，飛片速度明顯降低，達(dá)到最大速度的時刻遠(yuǎn)早于飛出加速膛口的時刻，不利于飛片形貌的控制。

（3）本試驗中由于光斑能量分布不均及出膛時應(yīng)力波的卸載效應(yīng)，飛片飛出加速膛后均無法保持完整，基本呈碎片狀向周圍噴濺。