李業(yè)軍，王 釗，田寶賢，梁 晶，韓茂蘭，陸 澤，湯秀章

（中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

Kr F激光對(duì)高速飛片的驅(qū)動(dòng)特性研究

李業(yè)軍，王 釗，田寶賢，梁 晶，韓茂蘭，陸 澤，湯秀章

（中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

利用誘導(dǎo)空間非相干技術(shù)平滑的KrF準(zhǔn)分子（248nm）激光驅(qū)動(dòng)帶有燒蝕層的平面靶，研究激光空間均勻性對(duì)產(chǎn)生完整飛片的影響，結(jié)果表明激光不均勻性在2%以下，能夠產(chǎn)生完整的高速飛片，且完整飛片能夠維持20ns以上不破裂；當(dāng)激光不均勻性達(dá)到5%，激光引入流體力學(xué)不穩(wěn)定性種子應(yīng)很強(qiáng)，沖擊波在靶內(nèi)輸運(yùn)過程中不穩(wěn)定性不斷發(fā)展增強(qiáng)，到靶背時(shí)強(qiáng)到足以使飛片解體甚至氣化，不能產(chǎn)生完整的飛片。為了獲得盡可能高的飛片速度，采用激光與燒蝕層參數(shù)不匹配方法，使沖擊波對(duì)飛片作多次加速。利用功率密度為1012W／cm2的Kr F激光與含50μm Kapton燒蝕層的5μm鋁飛片作用，得到速度約10km／s的高速飛片，與模擬結(jié)果吻合得很好。

Kr F準(zhǔn)分子激光；高速飛片；沖擊波平面性；速度干涉條紋 ；側(cè)向陰影照相

0 引 言

激光驅(qū)動(dòng)飛片技術(shù)是20世紀(jì)80年代末迅速發(fā)展起來的一種新型動(dòng)高壓加載技術(shù)。激光驅(qū)動(dòng)是利用激光燒蝕物質(zhì)產(chǎn)生的高溫高壓等離子體推動(dòng)未燒蝕完物體作高速飛行。與傳統(tǒng)的高速驅(qū)動(dòng)方式（氣體炮、爆轟驅(qū)動(dòng)以及電磁驅(qū)動(dòng)等）相比，激光驅(qū)動(dòng)飛片具有獨(dú)特的優(yōu)越性。目前最高飛片速度可達(dá)到1000km／s以上［1］，產(chǎn)生TPa量級(jí)的沖擊壓力，甚至更高；且具有裝置簡(jiǎn)單、安全性高、頻率特性好和經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠極大提高科學(xué)研究效率。激光驅(qū)動(dòng)高速飛片正廣泛應(yīng)用于高壓物理學(xué)、空間科學(xué)、材料科學(xué)以及炸藥的快速起爆等領(lǐng)域［2-4］。

激光驅(qū)動(dòng)高速飛片對(duì)沖擊波平面性要求應(yīng)與激光驅(qū)動(dòng)高壓狀態(tài)方程實(shí)驗(yàn)的平面性要求［5-7］一樣，靶面各處的沖擊波壓強(qiáng)取決于該點(diǎn)處的激光輻照強(qiáng)度，強(qiáng)度越高，壓強(qiáng)越大，相應(yīng)的沖擊波速度也越快，在靶中傳播一段距離后，波陣面就越超前。理想（平整度與光潔度）靶面情況下，激光能量分布的空間均勻性決定沖擊波平面性，而飛片的完整性與平面性取決于沖擊波平面性。若沖擊波存在流體力學(xué)不穩(wěn)定因子，該因子會(huì)在沖擊波輸運(yùn)過程中不斷增長(zhǎng)，增長(zhǎng)到一定程度會(huì)導(dǎo)致飛片解體甚至氣化。所以激光的不均勻性會(huì)“印”在等離子體上，進(jìn)一步“印”在燒蝕面上，最終的結(jié)果是激光均勻性決定飛片的完整性與平面性。

目前，激光驅(qū)動(dòng)飛片實(shí)驗(yàn)用靶主要有兩種形式。一種是帶約束層靶［8-10］，利用帶約束層窗口阻擋激光燒蝕等離子體的后向膨脹，在激光強(qiáng)度較低的情況下能夠有效提高沖擊壓力和飛片速度。受窗口材料破壞閾值的限制，驅(qū)動(dòng)激光強(qiáng)度相對(duì)較低（～109W／cm2），所以驅(qū)動(dòng)飛片速度不會(huì)太高，最高在8km／s左右。

另一種是激光直接與飛片靶（多數(shù)情況下飛片靶前帶有燒蝕層）作用，由于不存在激光強(qiáng)度閾值問題，可以利用高強(qiáng)度（1012W／cm2）激光驅(qū)動(dòng)飛片，能把飛片加速到更高速度，是發(fā)射高速甚至超高速（＞15km／s）飛片的主要技術(shù)途徑。圖1是激光直接驅(qū)動(dòng)示意圖，飛片發(fā)射機(jī)理為：高功率激光聚焦作用在靶（或燒蝕層）上，靶的表層（大約等于趨膚深度）吸收激光脈沖前沿的能量后，溫度迅速升高而融化，發(fā)生電離，形成高溫高密度等離子體，后續(xù)的激光能量吸收發(fā)生在等離子體臨界面附近，通過等離子體中電子的逆韌致吸收完成。在臨界面上，部分激光能量被吸收，部分被反射回去。吸收了激光能量的高速電子向四周飛散，向靶內(nèi)輸運(yùn)的電子對(duì)靶面繼續(xù)撞擊，使得電子、離子或者碎片向外高速噴射。粒子在向外膨脹、噴射的同時(shí)，產(chǎn)生向靶內(nèi)傳輸?shù)臎_擊波。沖擊波克服未燒蝕剩余靶片側(cè)向剪切力作用產(chǎn)生飛片，沖擊波與飛片自由面反射稀疏波的共同作用加速靶到高速度。

激光輻照靶面除了會(huì)產(chǎn)生燒蝕壓力外，還會(huì)產(chǎn)生光壓和熱應(yīng)力。在激光功率密度小于1015W／cm2的情況下，相對(duì)于燒蝕壓，光壓與由溫度梯度造成的熱應(yīng)力可忽略不計(jì)。

圖1 帶燒蝕層靶結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure sketch of target with ablation

由于燒蝕層為CH材料，無法采用磁控濺射等方法制作飛片層，飛片靶多采用軋制方式加工，靶表面光潔度較差，為了減小飛片產(chǎn)生過程中不穩(wěn)定性的影響，對(duì)激光的均勻性要求就更高。具有短波長(zhǎng)（248nm）KrF準(zhǔn)分子激光恰好能夠滿足這方面的要求。KrF激光具有寬頻帶（3THz）特性，利用誘導(dǎo)空間非相干（ISI）［11］技術(shù)能夠把激光束空間均勻性平滑到很高，然后采用像傳遞與角多路（MOPA）［12-13］技術(shù)，使激光焦斑空間均勻性得到極大提高，不均勻性能夠控制在1%以內(nèi)，可有效抑制流體力學(xué)不穩(wěn)定性因子的產(chǎn)生與發(fā)展，利于驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生完整飛片；此外，與短波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的等離子體臨界密度高，激光能夠傳輸?shù)降入x子體密度更高區(qū)域，激光吸收效率高，產(chǎn)生的光壓大，利于把飛片加速到高速度；與短波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的激光等離子體不穩(wěn)定性（LPI）閾值高，能夠有效抑制LPI發(fā)生，進(jìn)一步遏制流體力學(xué)不穩(wěn)定性種子源的產(chǎn)生。

目前，關(guān)于激光均勻性對(duì)驅(qū)動(dòng)飛片的產(chǎn)生、飛片平面性與完整性的研究未見報(bào)道，本文利用高均勻性Kr F準(zhǔn)分子激光與含燒蝕層飛片作用，研究激光均勻性對(duì)飛片的產(chǎn)生及飛片特性的影響，利用百焦耳Kr F準(zhǔn)分子激光產(chǎn)生速度約為10km／s的高速飛片。

1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)在中國原子能科學(xué)院準(zhǔn)分子激光實(shí)驗(yàn)室“天關(guān)一號(hào)”裝置上進(jìn)行，激光參數(shù)為248nm／25ns／500μm，主放大器6束光輸出能量約100J。利用誘導(dǎo)空間非相干技術(shù)（ISI）使光束不均勻性在0.8%以內(nèi)，采用像傳遞及角多路（MOPA）技術(shù)經(jīng)過預(yù)放大器與主放大器兩級(jí)放大，6束激光疊加后像位面上焦斑不均勻性在1.6%左右。圖2是焦斑的三維圖形。靶上激光均勻性通過改變靶面與焦斑像位面的距離來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)靶在像位面上，激光不均勻性在2%以內(nèi)；靶偏離像位3mm處，光斑不均勻性就會(huì)達(dá)到5%左右。激光不均勻性是通過計(jì)算焦斑平面線上的不均勻性因子得到的。

圖2 激光焦斑三維圖像Fig.2 Three-dimensional image of laser focus

采用兩種方法對(duì)飛片性能進(jìn)行診斷：一種是利用側(cè)向陰影照相［14-15］方法，根據(jù)測(cè)量的飛片運(yùn)行軌跡擬合得到飛片速度及加速度等參數(shù)；另一種是采用具有空間分辨的成像型速度干涉儀［16-17］進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)多普勒頻移引起條紋躍變間斷面的平整度得到?jīng)_擊波平面性、飛片的平面性與完整性，由條紋移動(dòng)后持續(xù)時(shí)間推得飛片維持時(shí)間與飛行距離。此外，通過擋濺射片上沉積靶碎片尺寸也可對(duì)飛片完整性作定性判斷。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 激光均勻性對(duì)產(chǎn)生飛片的影響

圖3是利用激光速度干涉儀對(duì)激光驅(qū)動(dòng)進(jìn)行診斷的實(shí)驗(yàn)原理圖，擋濺射片一方面用于保護(hù)干涉儀成像鏡免受靶碎片破壞，另一方面可以對(duì)產(chǎn)生的飛片飛行一定距離后的性狀作定性了解。為了減少對(duì)成像質(zhì)量的影響，擋濺射片緊貼成像系統(tǒng)鏡片，距靶約120mm。由于擋濺射片距靶太遠(yuǎn)，飛片到達(dá)此處時(shí)早已解體，從靶碎片情況只能對(duì)飛片性狀作定性判斷。

圖3 激光驅(qū)動(dòng)飛片實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.3 Principle sketch of laser driving flyer

靶面激光不均勻性為5%時(shí)，得到的圖4和5分別為干涉圖像和擋濺射片上飛片碎片情況。由圖4可以看到，干涉圖像在條紋移動(dòng)后完全消失，這是由于激光驅(qū)動(dòng)的沖擊波均勻性差，存在較強(qiáng)的不穩(wěn)定性種子源，沖擊波傳輸過程中流體力學(xué)不穩(wěn)定性（RTI）進(jìn)一步增強(qiáng)，沖擊波到達(dá)飛片靶自由面（甚至飛片內(nèi)部）時(shí)就促使飛片解體甚至氣化，無法反射干涉儀探針光，造成干涉條紋跳變后消失。擋濺射片上靶碎片呈粉末狀分布也說明飛片在流體力學(xué)不穩(wěn)定性因子作用下部分已經(jīng)氣化，證實(shí)飛片解體很嚴(yán)重，靶內(nèi)存在很強(qiáng)的流體力學(xué)不穩(wěn)定性。

圖6和7是靶在像位上（激光不均勻性小于2%）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖6是條紋相機(jī)第6檔（全量程50ns）測(cè)量的干涉圖像，干涉圖像很完整，飛片飛行約20ns后方解體（飛行約150μm）；圖7是擋濺射片上解體碎片顆粒分布情況，顆粒較大，沒有出現(xiàn)粉末狀靶碎片。說明激光驅(qū)動(dòng)的沖擊波均勻性好，靶內(nèi)存在的流體力學(xué)不穩(wěn)定性作用弱，沖擊波傳輸?shù)桨斜硶r(shí)還不至于撕裂靶片，可以產(chǎn)生完整的飛片。干涉條紋的間斷面不平整度很小，約63ps，說明激光驅(qū)動(dòng)的沖擊波平面性與飛片平面性都很好。

圖4 激光驅(qū)動(dòng)平面靶的干涉條紋Fig.4 Interference fringes of flat target driven by laser

圖5 擋濺射片上的靶碎片F(xiàn)ig.5 Target debris on sputtering film

圖6 激光驅(qū)動(dòng)平面靶干涉條紋Fig.6 Interference fringes of flat target driven by laser

圖7 擋濺射片上的靶碎片F(xiàn)ig.7 Target debris on sputtering film

以上2個(gè)實(shí)驗(yàn)說明激光能量均勻分布是產(chǎn)生平面性良好沖擊波的前提，高均勻平面沖擊波才能驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生具有很好完整性與平面性的飛片。

2.2 激光驅(qū)動(dòng)高速飛片

從狀態(tài)方程研究的角度出發(fā)，希望激光驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的沖擊波在靶內(nèi)能穩(wěn)定輸運(yùn)，盡量不對(duì)靶產(chǎn)生加熱等其它作用。一般應(yīng)使激光參數(shù)與燒蝕層參數(shù)匹配，只在靶內(nèi)產(chǎn)生一穩(wěn)定平面沖擊波。但為了獲得盡可能高的飛片速度，可以不考慮激光與燒蝕層參數(shù)匹配問題，沖擊波在靶內(nèi)可能要對(duì)飛片靶作幾次加速。

采用如圖1所示的靶結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)用靶為5μm鋁飛片，飛片前是作為燒蝕層的50μm Kapton膜。采用側(cè)向陰影照相法對(duì)飛片運(yùn)行軌跡進(jìn)行測(cè)量。

圖8是采用側(cè)向陰影照相得到的能量為50J激光驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生飛片的軌跡圖像與擬合曲線，擬合結(jié)果表明飛片運(yùn)行軌跡近似為線性，飛片速度為5.58km／s。在約60ns時(shí)間內(nèi)，飛片近似勻速運(yùn)動(dòng)，沒有觀測(cè)到明顯的加速過程。在此激光強(qiáng)度下，激光與燒蝕層作用形成沖擊波，當(dāng)沖擊波到達(dá)飛片背表面后粒子速度跳變?yōu)樽杂擅嫠俣?，速度上升很迅速，以至于條紋相機(jī)100ns檔無法分辨其初始階段的加速過程，此后飛片以近似勻速狀態(tài)飛行，說明沖擊波在對(duì)飛片驅(qū)動(dòng)過程中只有一次加速作用。

圖8 50J能量下鋁飛片軌跡圖像及擬合曲線Fig.8 Aluminum flyer track image and curve fitting under 50J laser

圖9是能量為100J激光輻照相同靶參數(shù)的鋁飛片的運(yùn)行軌跡，飛片軌跡持續(xù)約30ns，飛行軌跡不再是近似直線，出現(xiàn)了明顯的加速過程。軌跡是飛片速度對(duì)時(shí)間的積分，圖像取點(diǎn)是離散的數(shù)據(jù)樣本，直接對(duì)軌跡輪廓線進(jìn)行擬合，然后對(duì)輪廓線求微分得到速度曲線。

圖10所示為100J能量下擬合的飛片飛行軌跡，速度、加速度曲線。擬合處理中取飛片啟動(dòng)時(shí)刻為時(shí)間0點(diǎn)，分3種情況擬合飛片的速度：（1）對(duì)飛片運(yùn)行24ns后的軌跡進(jìn)行線性擬合，此時(shí)激光驅(qū)動(dòng)沖擊波對(duì)飛片加速的過程接近尾聲，飛片近似作勻速直線運(yùn)動(dòng)，所以對(duì)飛行軌跡后部數(shù)據(jù)作1次線性擬合；（2）忽略沖擊波成長(zhǎng)的非線性與稀疏波稀疏近勻速過程，假定飛片在穩(wěn)定的燒蝕壓作用下做勻加速運(yùn)動(dòng)，對(duì)飛片軌跡進(jìn)行2次擬合；（3）認(rèn)為飛片運(yùn)動(dòng)是變加速的（類似NIKE的處理方法），對(duì)飛片軌跡進(jìn)行4次擬合。

將運(yùn)動(dòng)軌跡后期當(dāng)作勻速運(yùn)動(dòng)來處理，從24.6ns開始進(jìn)行擬合，其1次線性擬合的速度為9.87km／s，擬合曲線如圖10（a）所示；對(duì)于勻加速運(yùn)動(dòng)，其飛行軌跡為2次曲線，擬合得到飛片初始速度為4.77km／s，加速度為0.23×109km／s2，速度線性增加；對(duì)于變加速的加速運(yùn)動(dòng)，擬合得到其初始速度為1.00km／s，速度擬合曲線如圖10（c）所示，加速度呈逐漸減小的趨勢(shì)，變加速運(yùn)動(dòng)中，其加速度在22ns附近逐漸降低為0，說明沖擊波對(duì)飛片加速結(jié)束。在21.3ns時(shí)刻，勻加速運(yùn)動(dòng)與變加速運(yùn)動(dòng)的速度曲線相交，此刻對(duì)應(yīng)的速度為9.71km／s，與1次線性擬合的速度接近，飛片近似作勻速運(yùn)動(dòng)。

圖9 100J能量下鋁飛片陰影圖像Fig.9 Aluminum flyer shadow image under 100J laser

圖10 飛片軌跡與速度擬合曲線Fig.10 Flyer trajectory，velocity and acceleration curve fitting

圖11 利用Hyades模擬的飛片速度曲線Fig.11 Curves of flyer velocity simulated using Hyades code

圖11是利用Hyades程序模擬飛片速度演化的結(jié)果。圖11（a）使用的參數(shù)與實(shí)驗(yàn)相同，從圖中明顯可看出激光驅(qū)動(dòng)的沖擊波對(duì)飛片作多次加速，最終速度為10 km／s，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得很好。圖11（b）是其它參數(shù)都不變，燒蝕層厚度減小到30μm的情況，模擬得到的飛片速度可達(dá)16.5km／s，沖擊波對(duì)飛片也作多次加速，模擬結(jié)果有待實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3 結(jié)論與展望

實(shí)驗(yàn)研究了Kr F準(zhǔn)分子激光的空間均勻性對(duì)飛片產(chǎn)生及其完整性的影響，結(jié)果表明，在激光強(qiáng)度為1012W／cm2條件下，利用Kr F準(zhǔn)分子激光直接驅(qū)動(dòng)帶燒蝕層飛片靶，當(dāng)激光不均勻性在2%以內(nèi)，可以驅(qū)動(dòng)平面性很好的高速飛片，飛片能夠飛行約150μm以上；當(dāng)激光不均勻性達(dá)到5%左右，由激光不均勻性引入的不穩(wěn)定性種子強(qiáng)，沖擊波向靶內(nèi)輸運(yùn)過程中流體力學(xué)不穩(wěn)定性發(fā)展到足以使飛片解體甚至使飛片氣化，不能產(chǎn)生完整飛片。說明沖擊波平面性強(qiáng)烈地依賴于激光束空間均勻性，沖擊波平面性又決定飛片的平面性與完整性。高均勻性激光是直接驅(qū)動(dòng)高速飛片的前提。

采用Kr F準(zhǔn)分子激光作為直接驅(qū)動(dòng)高速飛片驅(qū)動(dòng)器，在于其具有短波長(zhǎng)、寬頻帶特性。短波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于高吸收效率，可以加速飛片到更高速度；光束均勻性好可以有效抑制不穩(wěn)定性產(chǎn)生，有利于產(chǎn)生平面性好的完整飛片。利用百焦耳Kr F準(zhǔn)分子激光把帶有50μm燒蝕層的5μm鋁飛片加速到約10km／s，與模擬結(jié)果一致。根據(jù)HYADES的模擬結(jié)果，燒蝕層厚度減小到30μm時(shí)，有望得到16.5km／s的超高速飛片，該結(jié)果有待實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)；但燒蝕層太薄，后向噴射靶碎片可能會(huì)污染激光聚焦系統(tǒng)元件，也有待實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

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Research on the driving characteristics of high speed flyer using Kr F laser

Li Yejun，Wang Zhao，Tian Baoxian，Liang Jin，Han Maolan，Lu Ze，Tang Xiuzhang
（China institute of atomic energy，Beijing 102413，China）

Kr F excimer laser（248nm）has high spatial uniformity by using induced spatial incoherence technology.After image relay and amplification by optical angular multiplexing technology，non-uniformity of image surface of focal spot is 1.6%.The spot spatial uniformity decreases with increasing distance of deviating image surface，the spatial non-uniformity is up to 5%at 3mm place deviating image surface.Laser directly drives planar target with ablation layer，the effects of laser spatial uniformity on flyer planarity and integrity were investigated.The results show when the non-uniformity of laser is below 2%，the integrity of inference fringes measured by laser velocity interferometer system for reflector keeps very well，the inference fringes last about 20ns after fringes jump.And the flyer can fly about 150 microns.The roughness of discontinuity is 62ps，which indicates that the shock wave planarity is good.The target debris deposited on sputtering film from the target of about 120mm is larger particles，which confirms the flyer has better integrity.When the laser non-uniformity is 5%，the interference fringes disappear completely after fringes jump，and the target debris deposited on sputtering film becomes powder，which indicates the shock wave planarity is very poor under this laser condition.The experimental results show hydrodynamic instability seed is weak at good condition of the uniformity of laser，the development of shock waves is not strong enough to make the flyer disintegration when shock waves transfer from the front surface to rear of larget.When the laser nonuniformity is about 5%，hydrodynamic instability seed driven by laser is very strong.When the shock wave transferred to the target back，hydrodynamic instability develops strong enough to make the flyer disintegration even gasification，which leads to the disappearance of interference fringes.So shock planarity driven by laser is strongly dependent on the laser beam spatial uniformity，and the planarity and integrity of flyers depend on the shock planarity.According to the simulation results using one dimensional HYADES program，the ablation layer thickness should be reduced in order to improve the velocity of flyer.At the condition of thinner ablation layer，laser and ablation parameters do not match，shock waves driven by laser can accelerate the flyer multi-times.Kr F laser with power density of about 1012W／cm2drove flat target of 5μm aluminum with50μm Kapton ablation.Flyer trajectory was obtained using side-on shadowgraph.The curves of flyer velocity and acceleration were obtained by fitting the trajectory curve.Acceleration reaches 0.23×109km／s2，the velocity of flyer is about 9.8km／s.And the HYADES simulation shows there are 4 acceleration processes，the flyer velocity is about 10km／s.The results of experiment and simulation agreed very well.At the same conditions，simulations also show when the ablation thickness decreases to 30μm，the flyer velocity can be up to 16.5km／s.Target debris from backward jet maybe pollutes the laser focusing system components for too thin ablation.These all need to be verified by experiments.

Kr F excimer laser pulse；high-speed flyer；shock wave plane character；velocity interferometer system for any reflector；side-on shadowgraph

O532＋.25

：A

1672-9897（2014）03-0104-06doi：10.11729／syltlx2014pz26

（編輯：楊 娟）

2013-06-09；

：2013-12-25

LiYJ，WangZ，TianBX，etal.ResearchonthedrivingcharacteristicsofhighspeedflyerusingKrFlaser.JournalofExperimentsin FluidMechanics，2014，28（3）：104-109.李業(yè)軍，王 釗，田寶賢，等.KrF激光對(duì)高速飛片的驅(qū)動(dòng)特性研究.實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2014，28（3）：104-109.

李業(yè)軍（1969-），男，江蘇宿遷人，研究員。研究方向：激光等離子體物理。通信地址：北京275-7信箱（102413）。E-mail：liyj＠ciae.ac.cn