稅敏儲(chǔ)根柏 席濤 趙永強(qiáng) 范偉 何衛(wèi)華 單連強(qiáng) 朱斌辛建婷谷渝秋

(中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心,等離子體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,綿陽(yáng) 621900)

(2016年10月8日收到;2016年11月4日收到修改稿)

神光III原型裝置激光驅(qū)動(dòng)高速飛片實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展?

稅敏?儲(chǔ)根柏 席濤 趙永強(qiáng) 范偉 何衛(wèi)華 單連強(qiáng) 朱斌辛建婷?谷渝秋

(中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心,等離子體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,綿陽(yáng) 621900)

(2016年10月8日收到;2016年11月4日收到修改稿)

激光驅(qū)動(dòng)飛片技術(shù)具有產(chǎn)生的飛片速度高、成本低、裝置簡(jiǎn)單等傳統(tǒng)動(dòng)高壓加載技術(shù)無(wú)法取代的優(yōu)點(diǎn).隨著激光技術(shù)的發(fā)展,利用高功率激光脈沖發(fā)射高速飛片受到越來(lái)越多的關(guān)注.本文介紹了在神光III原型裝置上開(kāi)展的激光驅(qū)動(dòng)高速飛片實(shí)驗(yàn)研究.利用納秒短脈沖和納秒整形長(zhǎng)脈沖,設(shè)計(jì)并開(kāi)展了幾種不同方式加速飛片的實(shí)驗(yàn)研究,成功獲得了10 km·s?1的固態(tài)鋁飛片和50 km·s?1超高速度的復(fù)合金屬飛片,而且飛片具有良好的平面性和完整性.對(duì)實(shí)驗(yàn)的物理設(shè)計(jì)、技術(shù)途徑和數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行了比較全面的分析,為進(jìn)一步開(kāi)展激光驅(qū)動(dòng)高速飛片相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究提供了思路,同時(shí)也證明了神光III原型裝置在激光驅(qū)動(dòng)高速飛片實(shí)驗(yàn)研究方面有著巨大的潛力.

沖擊波,激光驅(qū)動(dòng)飛片,動(dòng)高壓物理,等離子體

1 引 言

激光驅(qū)動(dòng)飛片通常有兩種實(shí)驗(yàn)裝置[1]:一種是激光照射在透明窗口材料和飛片靶的界面位置,利用激光燒蝕產(chǎn)生的高溫高壓推動(dòng)飛片飛行;另一種是激光直接燒蝕飛片前表面(無(wú)約束),在飛片靶內(nèi)產(chǎn)生沖擊波,驅(qū)動(dòng)燒蝕后的剩余靶片飛行成為高速飛片.由于透明窗口材料損傷閾值較低(＜1011W·cm?2),在本文所涉及的激光強(qiáng)度(1012—1014W·cm?2)范圍內(nèi),強(qiáng)激光照射會(huì)將窗口材料離化成等離子體,從而阻擋后續(xù)激光通過(guò)窗口,因此只能采用第二種方式獲得更高的飛片速度.

激光驅(qū)動(dòng)飛片加載技術(shù)是一種重要的動(dòng)高壓加載技術(shù),與激光直接加載相比,飛片加載沒(méi)有附帶的X射線和超熱電子預(yù)熱,可以在樣品內(nèi)產(chǎn)生干凈的平面沖擊波.激光驅(qū)動(dòng)飛片加載可以在實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生數(shù)百GPa甚至TPa量級(jí)的沖擊壓力[2],利用這項(xiàng)技術(shù)可開(kāi)展沖擊波物理實(shí)驗(yàn),與傳統(tǒng)的的飛片驅(qū)動(dòng)方式,如輕氣炮[3,4]、爆轟驅(qū)動(dòng)[5,6]以及電磁驅(qū)動(dòng)[7]等相比,激光驅(qū)動(dòng)飛片加速動(dòng)力因素較小,設(shè)備可以更緊湊,實(shí)驗(yàn)的破壞性比較低,沒(méi)有附帶損害,可以有效降低實(shí)驗(yàn)成本,也可獲得更高的飛片速度.此外,激光驅(qū)動(dòng)飛片加載的加速過(guò)程更短,可以同時(shí)開(kāi)展飛片的加速和撞擊過(guò)程測(cè)量;實(shí)驗(yàn)的時(shí)間間隔短,可重復(fù)性高;更重要的是可以開(kāi)展小樣品、有毒、放射性和昂貴材料的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究.正因如此,激光驅(qū)動(dòng)飛片技術(shù)在很多方面都具有重要的應(yīng)用:超高壓條件下材料的物態(tài)方程(EOS)研究,尤其是EOS的絕對(duì)測(cè)量[8]、高應(yīng)變率條件下材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究[9]、航空領(lǐng)域空間飛行器防護(hù)研究[10]、炸藥快速起爆技術(shù)研究[11].

本文對(duì)近兩年在神光III原型裝置上開(kāi)展的激光驅(qū)動(dòng)高速飛片實(shí)驗(yàn)研究做了比較詳細(xì)的介紹,對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)靶型、技術(shù)途徑和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較全面和細(xì)致的分析.

2 激光驅(qū)動(dòng)高速飛片實(shí)驗(yàn)研究

神光III原型裝置可提供四束3 ns方波脈沖,波長(zhǎng)351 nm,單束激光能量可達(dá)800 J;另外還具有10 ns任意波形脈沖整形能力,單束能量小于500 J.對(duì)于激光驅(qū)動(dòng)飛片,除了高的激光功率密度,激光強(qiáng)度空間分布的均勻性也至關(guān)重要.如果空間分布不均勻,則飛片各部分受力就不均勻,從而產(chǎn)生橫向應(yīng)力差,造成飛片的破碎解體[12].原型裝置具有兩種尺寸(直徑2 mm和0.5 mm)的連續(xù)相位板(CPP),可以對(duì)激光光束進(jìn)行空間上的勻滑,產(chǎn)生空間強(qiáng)度均勻分布的激光,使原型裝置具備了飛片發(fā)射的必要條件.

基于原型裝置的激光條件,我們發(fā)展了三種激光驅(qū)動(dòng)飛片技術(shù),如圖1所示.整形激光和短脈沖激光直接燒蝕,產(chǎn)生壓縮波或者沖擊波加速飛片,屬于直接驅(qū)動(dòng)方式.激光燒蝕氣庫(kù)膜產(chǎn)生低密度等離子體射流碰撞加速飛片,屬于間接驅(qū)動(dòng)方式.下面分別對(duì)這三種飛片實(shí)驗(yàn)進(jìn)行介紹.

圖1 (網(wǎng)刊彩色)激光驅(qū)動(dòng)飛片的三種方式Fig.1.(color on line)Schem atic view of the m eans of laser-d riven fl yers.

2.1 整形斜波脈沖加速飛片實(shí)驗(yàn)研究

整形激光驅(qū)動(dòng)飛片的原理如圖2所示,整形激光脈沖燒蝕飛片材料前表面,在飛片內(nèi)部產(chǎn)生一系列的壓縮波,壓縮波在飛片內(nèi)部來(lái)回反射加速飛片飛行.線成像速度干涉儀(VISAR)[13]的探針光(波長(zhǎng)532 nm)穿過(guò)透明窗口照射到飛片自由面,實(shí)現(xiàn)對(duì)飛片加速和撞擊的全過(guò)程測(cè)量.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)整形激光脈沖直接驅(qū)動(dòng)飛片示意圖Fig.2.(color on line)Schem atic view of laser-d riven fl yer by tem porally ram ped pu lse.

基于凝聚態(tài)物質(zhì)等熵線理論和原型激光的燒蝕壓定標(biāo)率[14],針對(duì)50μm厚度(L)的鋁(A l)飛片,進(jìn)行了激光波形設(shè)計(jì).激光強(qiáng)度基本按照指數(shù)形式變化,如方程(1)所示:

式中IL的單位是TW·cm?2,A表示原子質(zhì)量數(shù), Z為原子序數(shù),λL為激光波長(zhǎng),激光脈寬t為7 ns,沖擊波形成時(shí)間t0為9 ns,鋁常壓聲速c0為5.328 km·s?1,密度ρ0為2.70 g·cm?3,等熵方程系數(shù)γ取3.505.對(duì)于該波形設(shè)計(jì),樣品厚度L滿足L≥c0t0,因此,理想狀態(tài)下,在t0時(shí)間內(nèi),激光直接燒蝕在飛片內(nèi)部產(chǎn)生的一系列的壓縮波并不能相互追趕疊加而形成沖擊波,從而以準(zhǔn)等熵的方式加速飛片緩慢飛行,這樣可以降低飛片內(nèi)部的熵增以及溫升,使飛片保持固體狀態(tài),這對(duì)狀態(tài)方程的絕對(duì)測(cè)量具有重要意義[15].飛片靶結(jié)構(gòu)如圖3所示,飛片靶由CH燒蝕層(1.8μm)、SiO2(0.4μm)隔熱層和A l飛片層組成.燒蝕層可以適當(dāng)提高激光吸收效率,而隔熱層的目的是為了降低激光燒蝕熱傳導(dǎo)對(duì)飛片的加熱[1],當(dāng)然,這在激光強(qiáng)度很高的情況下可能效果并不明顯.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)整形激光驅(qū)動(dòng)的飛片靶結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3.(color on line)Schem atic view of the fl yer target d riven by tem porally ram ped pu lse.

實(shí)驗(yàn)中激光器實(shí)際輸出的激光波形如圖4中黑色曲線所示,波形寬度約10 ns,包括上升沿和下降沿,上升沿總體上與設(shè)計(jì)的波形符合較好,但在峰值段還是有一定偏差.激光總能量1220 J,焦斑直徑2 mm,峰值功率密度1.9×1013W·cm?2, VISAR探針光脈沖寬度14 ns,時(shí)間上落后主激光6 ns.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示,可以看到VISAR條紋光滑連續(xù),而且有多次彎曲,說(shuō)明飛片被多次加速,這與圖5(b)中飛片速度曲線一致.由于實(shí)驗(yàn)條件的限制和靶設(shè)計(jì)的原因,目前還沒(méi)有開(kāi)展飛片碰撞實(shí)驗(yàn),因此無(wú)法通過(guò)樣品內(nèi)的沖擊波形態(tài)來(lái)反推飛片的平面性,而只能利用線VISAR測(cè)量飛片自由面速度剖面,通過(guò)線VISAR條紋移動(dòng)的時(shí)間分散性來(lái)考察飛片啟動(dòng)和飛行過(guò)程中的一維平面性.從圖5可以看出,飛片啟動(dòng)時(shí)刻時(shí)間分散性小于0.04 ns,遠(yuǎn)小于飛片啟動(dòng)時(shí)間(約9.7 ns,比值0.4%),二次加速和三次加速時(shí)刻的時(shí)間分散性分別約為0.04 ns和0.06 ns,表明不僅飛片啟動(dòng)時(shí)刻平面性好,而且飛行中姿態(tài)保持也較好,表明CPP束勻滑確實(shí)有效地實(shí)現(xiàn)了激光光束的均勻化.

利用“反積分”方法[16],可以獲得飛片內(nèi)部的壓力分布,如圖6所示,可以清楚地看到壓縮波在飛片內(nèi)部的傳播和壓縮波在自由面的多次反射.自由面反射的稀疏波和加載面?zhèn)魅氲膲嚎s波相互作用,使飛片內(nèi)部的波系變得很復(fù)雜.9.6 ns左右,飛片內(nèi)部形成了沖擊波,這和我們的波形設(shè)計(jì)基本一致(t0=9 ns),不足1 ns的偏差主要是因?yàn)閷?shí)際波形和設(shè)計(jì)波形在高功率密度部分有比較明顯的偏離;另外,由于燒蝕層和隔熱層的厚度遠(yuǎn)小于飛片厚度,因此在波形設(shè)計(jì)時(shí)并沒(méi)有將其考慮在內(nèi),但實(shí)際上肯定會(huì)對(duì)結(jié)果有一些影響.強(qiáng)沖擊波(峰值壓力達(dá)到100 GPa,接近鋁沖擊熔化壓強(qiáng)120GPa)在自由面的反射造成了自由面的稀疏破碎,導(dǎo)致自由面的反射率急劇下降,VISAR條紋消失.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)于厚度比較大的飛片,如果要獲得更高的飛片速度,則需要在波形設(shè)計(jì)中增大t0,保證在VISAR探測(cè)時(shí)間內(nèi)飛片內(nèi)部不形成沖擊波,確保飛片一直被弱壓縮波作用而處于固體狀態(tài).

圖4 (網(wǎng)刊彩色)整形激光脈沖波形圖Fig.4.(color on line)Profi le of tem porally ram ped pu lse.

圖5 整形激光驅(qū)動(dòng)飛片實(shí)驗(yàn)結(jié)果 (a)V ISAR原始圖像;(b)飛片速度曲線Fig.5.Experim ental resultsof laser-d riven fl yer by tem porally ram ped pu lse:(a)Raw VISAR im age; (b)fl yer velocity cu rve.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)飛片內(nèi)壓力分布Fig.6.(color on line)Stress d istribu tion w ithin the fl yer.

總體而言,凝聚態(tài)物質(zhì)等熵線理論是可靠的,經(jīng)過(guò)合理的設(shè)計(jì)和優(yōu)化,利用整形激光脈沖可以實(shí)現(xiàn)高速固態(tài)飛片發(fā)射.但這種方式的缺點(diǎn)是對(duì)波形控制能力要求較高,在今后的實(shí)驗(yàn)中可以考慮先利用黑腔將整形脈沖轉(zhuǎn)化為X射線,再用X射線燒蝕驅(qū)動(dòng)飛片,利用黑腔的勻滑能力適當(dāng)降低對(duì)波形的要求.

2.2 等離子體射流碰撞加速飛片實(shí)驗(yàn)研究

等離子體射流碰撞加速飛片的原理如圖7所示,短脈沖激光燒蝕氣庫(kù)膜并在其內(nèi)部形成強(qiáng)沖擊波,當(dāng)沖擊波到達(dá)氣庫(kù)膜后表面時(shí),氣庫(kù)膜被離化成低密度等離子體并向下游一定距離的飛片樣品處卸載,等離子體與樣品不斷碰撞并將自身動(dòng)能轉(zhuǎn)化為飛片的動(dòng)能,推動(dòng)飛片在第二段真空間隙中飛行[17,18].利用VISAR穿過(guò)透明窗口可以實(shí)現(xiàn)對(duì)飛片自由面速度的連續(xù)測(cè)量.如果飛片飛行距離足夠長(zhǎng),將與透明窗口發(fā)生碰撞并在窗口內(nèi)產(chǎn)生沖擊波,因此,該設(shè)計(jì)可以同時(shí)開(kāi)展飛片發(fā)射和飛片撞擊透明材料實(shí)驗(yàn)研究.

圖7 (網(wǎng)刊彩色)等離子體射流碰撞加速飛片原理示意圖Fig.7.(color on line)Schem atic view of fl yer launching by p lasm a im pact.

開(kāi)展了等離子體射流碰撞加速鋁飛片和鉭飛片實(shí)驗(yàn),分別如圖8和圖9所示,其中鋁飛片的結(jié)果已在文獻(xiàn)[19]中進(jìn)行了描述.實(shí)驗(yàn)采用原型裝置上的4束激光,脈沖波形為3 ns方波,激光束經(jīng)過(guò)直徑2 mm的CPP后聚焦到氣庫(kù)膜上,氣庫(kù)膜厚度150—200μm,是一種由CH塑料摻雜3%溴原子組成的薄膜.線VISAR探測(cè)時(shí)間14 ns,速度測(cè)量范圍2—15 km/s.不同發(fā)次的參數(shù)統(tǒng)計(jì)分別如表1[19]和表2所列.根據(jù)分析比較發(fā)現(xiàn),在我們的測(cè)量時(shí)間內(nèi)(約10 ns),飛片平面性變化很小,因此,為了簡(jiǎn)潔,我們?cè)诒?和表2中只列出了初始時(shí)間分散性,也就是飛片啟動(dòng)時(shí)刻的平面性.從圖8和圖9可見(jiàn),飛片速度隨著時(shí)間的增加緩慢上升,表明等離子體射流碰撞在飛片內(nèi)部產(chǎn)生了壓縮波,以準(zhǔn)等熵的方式加速飛片飛行.這與整形激光脈沖加速飛片類(lèi)似,只是兩者產(chǎn)生壓縮波的方式不同.通過(guò)改變激光能量、飛片厚度、氣庫(kù)膜厚度等參數(shù)條件,可以改變飛片的加速度和速度等參數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)飛片飛行路徑和姿態(tài)的控制,從而改變飛片加載的應(yīng)變率.可以看到,在其他參數(shù)不變的情況下,隨著激光能量的增加,飛片速度上升沿越短,加速度越高.另外,可以看到飛片速度曲線中存在平臺(tái)區(qū)域,如圖8中004發(fā)和圖9中130發(fā)結(jié)果所示.類(lèi)似2.1節(jié)中的分析,我們獲得了圖9中130發(fā)鉭飛片內(nèi)部的壓力等高線圖,如圖10所示.可以看到,由于飛片比較薄,壓縮波在自由面反射產(chǎn)生一束稀疏波,該稀疏波到達(dá)飛片前表面(加載面)又被反射成壓縮波,該壓縮波到達(dá)自由面后對(duì)飛片進(jìn)行了二次加速.

圖8 (網(wǎng)刊彩色)等離子體射流碰撞加速鋁飛片不同發(fā)次實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8. (color on line)Experim ental resu lts of alum inum fl yers launching by p lasm a im pact.

表1 等離子體射流碰撞加速鋁飛片參數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab le 1.Param eters of alum inum fl yers launching by p lasm a im pact.

圖9 (網(wǎng)刊彩色)等離子體射流碰撞加速鉭飛片實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.9.(color on line)Experim ental resu lts of tantalum fl yers launching by p lasm a im pact.

表2 等離子體射流碰撞加速鉭飛片參數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab le 2.Param eters of tantalum fl yers launching by p lasm a im pact.

圖10 (網(wǎng)刊彩色)鉭飛片內(nèi)壓力等高線圖,圖中數(shù)字表示等高線對(duì)應(yīng)的壓力(單位GPa)Fig.10.(color on line)Contou r lines w ithin the tantalum fl yer.The num bers in the figu re denote the correspond ing p ressu re(GPa).

從表1和表2結(jié)果可以看出,鋁飛片初始時(shí)刻(飛片啟動(dòng))時(shí)間分散性較小(與啟動(dòng)時(shí)刻的比值約2%),而鉭飛片啟動(dòng)時(shí)刻時(shí)間分散性較大(與啟動(dòng)時(shí)刻的比值約5%),表明鋁飛片的平面性更好.主要原因是鉭飛片實(shí)驗(yàn)的氣庫(kù)膜制作工藝問(wèn)題,由于氣庫(kù)膜本身平面性不好,激光燒蝕產(chǎn)生的等離子射流在空間上分布不均勻,因此等離子體碰撞在飛片內(nèi)部產(chǎn)生的壓縮波就不均勻,從而導(dǎo)致鉭飛片的平面性不好.雖然鉭飛片的峰值速度比鋁飛片低,但鉭的密度是鋁的6倍,因此鉭飛片具有更高的動(dòng)能.

文獻(xiàn)[20]成功開(kāi)展了等離子體加速鋁飛片及碰撞LiF窗口的實(shí)驗(yàn)研究,其VISAR探測(cè)時(shí)間達(dá)到了50 ns.而我們的VISAR系統(tǒng)探測(cè)時(shí)間只有14 ns,由于等離子體飛行和飛片加速都需要一定的時(shí)間,因此要同時(shí)開(kāi)展飛片加速和飛片撞擊窗口的實(shí)驗(yàn)難度很大,兩段真空間隙都必須設(shè)計(jì)得很小,既限制了飛片速度的提高,也對(duì)制靶精度提出了更高的要求.

從上面的實(shí)驗(yàn)分析來(lái)看,通過(guò)合理的靶設(shè)計(jì),等離子體射流碰撞可以以準(zhǔn)等熵的方式加速飛片,從而大大降低飛片的殘余溫度[20],減小狀態(tài)方程測(cè)量的誤差.此外,與激光直接燒蝕加速飛片相比,等離子體射流驅(qū)動(dòng)的方式對(duì)激光波形要求低,而且可以大大降低激光打靶產(chǎn)生的X射線和超熱電子對(duì)飛片的預(yù)熱.但是,激光燒蝕氣庫(kù)膜這種方式也存在比較嚴(yán)重的問(wèn)題,那就是如何進(jìn)一步提高飛片的速度而不在飛片內(nèi)部形成沖擊波.對(duì)于單層氣庫(kù)膜,這很難做到,理論上可以設(shè)計(jì)多層密度梯度氣庫(kù)膜[21],并提高激光脈沖寬度和能量來(lái)提高飛片速度,但這對(duì)激光器和制靶工藝的要求就會(huì)變得非常高.相比而言,整形激光脈沖直接驅(qū)動(dòng)更容易獲得高的飛片速度[22].

2.3 短脈沖激光燒蝕加速超高速飛片實(shí)驗(yàn)研究

短脈沖激光燒蝕加速高速飛片的實(shí)驗(yàn)原理如圖11所示,利用原型裝置的3 ns方波脈沖,直接燒蝕金屬飛片的前表面,在金屬飛片內(nèi)部形成沖擊波,當(dāng)沖擊波到達(dá)飛片自由面時(shí),驅(qū)動(dòng)未燒蝕部分飛片飛出.飛片飛行一段時(shí)間后,與透明窗口碰撞并減速.診斷方式通常有兩種:一種是利用VISAR穿過(guò)透明窗口同時(shí)測(cè)量飛片自由面速度和飛片撞擊后窗口內(nèi)的沖擊波速度[23,24],也可以通過(guò)飛片撞擊臺(tái)階窗口的時(shí)間差獲得飛片的速度[25];另一種是用輻射高溫計(jì)(SOP)接收飛片自由面的沖擊波卸載發(fā)光和飛片撞擊(臺(tái)階)窗口的可見(jiàn)光信號(hào)[26?28],利用飛行時(shí)間獲得飛片的平均速度和一維平面性.

圖11 (網(wǎng)刊彩色)短脈沖激光直接燒蝕驅(qū)動(dòng)高速飛片示意圖Fig.11.(color on line)Schem atic view of fl yer launching by direct short laser ab lation.

由于原型裝置上VISAR和SOP系統(tǒng)不能同時(shí)使用,因此我們先后開(kāi)展了利用VISAR或SOP進(jìn)行診斷的短脈沖燒蝕加速飛片實(shí)驗(yàn).利用VISAR進(jìn)行診斷的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示,文獻(xiàn)[24]對(duì)此進(jìn)行了比較詳細(xì)的討論,這里只做簡(jiǎn)單說(shuō)明.實(shí)驗(yàn)采用上四束激光加載,總能量2698 J,功率密度2.7×1013W·cm?2.圖12中VISAR條紋的強(qiáng)弱變化和彎曲移動(dòng),反映了飛片的啟動(dòng)、飛行和碰撞全過(guò)程.飛片啟動(dòng)時(shí)刻平面性很好(時(shí)間分散性僅0.06 ns),經(jīng)過(guò)4.7 ns后,飛片撞擊石英窗口并減速,飛片撞擊在石英窗口中產(chǎn)生了沖擊波,由于沖擊波壓力足夠高,使波陣面處發(fā)生了相變,導(dǎo)致波陣面處反射率升高,從而可以反射VISAR探針光并實(shí)現(xiàn)沖擊波速度的測(cè)量.波陣面啟動(dòng)時(shí)刻的時(shí)間分散性為0.08 ns(與啟動(dòng)時(shí)刻的比值約0.9%),表明飛片撞擊產(chǎn)生的沖擊波平面性好,間接表明撞擊時(shí)刻飛片的平面性較好、飛片飛行過(guò)程中姿態(tài)保持較好.石英窗口中的沖擊波速度曲線如圖13所示,可以比較明顯地看到?jīng)_擊波加速、追趕和減速三個(gè)過(guò)程,而這并不能用通常的單層固定密度的飛片撞擊來(lái)解釋.由于我們的飛片厚度達(dá)到50μm,結(jié)合該沖擊波速度曲線特征,我們認(rèn)為飛片可能已經(jīng)發(fā)生了分層或?qū)恿?并不再是一個(gè)固定密度的完整飛片.這也表明,短脈沖驅(qū)動(dòng)的飛片厚度存在閾值,激光功率密度和飛片厚度需要匹配,否則飛片可能發(fā)生層裂或者解體,破壞飛片的完整性,影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和判斷.

圖12 (網(wǎng)刊彩色)短脈沖激光直接燒蝕驅(qū)動(dòng)高速鋁飛片示意圖Fig.12.(color on line)Schem atic view of alum inum fl yer launching by direct short laser ablation.

利用SOP進(jìn)行測(cè)量的飛片實(shí)驗(yàn)中,飛片材料是在50μm厚度的聚酰亞胺(PI)上面蒸鍍2—3μm厚的銅(Cu)膜或者鉭(Ta)膜,設(shè)計(jì)多層膜的主要目的是通過(guò)阻抗匹配提高沖擊波壓力從而提高飛片速度.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14所示[19],圖14(a)是飛片撞擊平面氟化鋰(LiF)窗口的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以清楚地看到?jīng)_擊波波破和飛片撞擊的發(fā)光信號(hào), SOP掃描時(shí)間寬度10.3 ns.根據(jù)兩個(gè)信號(hào)的時(shí)間差,可得飛片的平均速度為42 km·s?1.而且撞擊時(shí)刻發(fā)光信號(hào)在直徑約400μm的區(qū)域內(nèi)時(shí)間分散性僅有0.02 ns(與發(fā)光時(shí)刻比值約0.3%),表明飛片具有很好的平面性.同時(shí),飛片撞擊發(fā)光強(qiáng)度在空間上分布均勻,強(qiáng)度上升沿陡峭(0.3 ns),說(shuō)明飛片碰撞時(shí)仍具有很高的密度和良好的完整性.此外,我們注意到撞擊信號(hào)的兩側(cè)有些彎曲,這是由于等離子體逃逸和邊側(cè)稀疏導(dǎo)致的邊緣滯后[29].圖14(b)是飛片撞擊LiF臺(tái)階窗口的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,與圖14(a)的結(jié)果類(lèi)似,只不過(guò)飛片先后撞擊臺(tái)階窗口和基底,飛片速度可以根據(jù)臺(tái)階高度得到,從發(fā)光強(qiáng)度來(lái)看,飛片在到達(dá)臺(tái)階窗口時(shí)仍處于加速過(guò)程中.整個(gè)物理過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都與流體力學(xué)計(jì)算結(jié)果符合得很好[19],進(jìn)一步證明了我們的物理設(shè)計(jì)是正確的.

圖13 短脈沖激光直接燒蝕驅(qū)動(dòng)高速飛片示意圖Fig.13.Schem atic view of fl yer launching by direct short laser ab lation.

圖14 短脈沖激光直接燒蝕驅(qū)動(dòng)多層PI-Cu飛片SOP實(shí)驗(yàn)結(jié)果 (a)124發(fā),飛片撞擊平面窗口;(b)128發(fā),飛片撞擊臺(tái)階窗口Fig.14. SOP resu lts of m u lti-layered PI-Cu fl yer launching by direct short laser ab lation:(a)Shot 124, fl yer im pact on a fl at glass w indow;(b)shot 128,fl yer im pact on a stepped glass w indow.

除了多層Cu飛片實(shí)驗(yàn),我們還開(kāi)展了多層Ta飛片、單層A l飛片實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所列[19].可以看到,多層飛片的平面性要好于單層飛片,而且激光能量轉(zhuǎn)換效率也更高.實(shí)驗(yàn)最高獲得了55 km·s?1的超高飛片速度,而且飛片具有很好的平面性和完整性,為今后在原型裝置上開(kāi)展飛片加載相關(guān)實(shí)驗(yàn)奠定了良好的基礎(chǔ).

與VISAR診斷實(shí)驗(yàn)相比,利用SOP診斷的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量時(shí)間可以很長(zhǎng),而且理論上沒(méi)有測(cè)速限制,缺點(diǎn)是不能獲得飛片飛行過(guò)程中的姿態(tài)和飛片撞擊以后樣品內(nèi)部的信息.

表3 短脈沖燒蝕加速飛片實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab le 3.Resu lts of fl yer launching by short-laser ablation.

最后,我們來(lái)討論激光發(fā)射發(fā)片的能量轉(zhuǎn)換效率.根據(jù)η=Ef/E0(E0是驅(qū)動(dòng)激光能量,Ef是飛片動(dòng)能),有Ef=ρ×πD2×H×V2/8,其中,ρ表示飛片密度,計(jì)算中暫時(shí)忽略密度的變化;D表示飛片直徑;H代表飛片厚度;V表示飛片速度.經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算,分別得到整形激光直接加速A l飛片轉(zhuǎn)換效率1.1%,短脈沖燒蝕加速?gòu)?fù)合PI-Cu飛片轉(zhuǎn)換效率1.0%,等離子體射流加速A l飛片轉(zhuǎn)換效率0.6%.這說(shuō)明激光直接加速飛片要比轉(zhuǎn)換為等離子體碰撞的間接加速方式效率高,因?yàn)榧す鉄g氣庫(kù)膜產(chǎn)生等離子體射流的過(guò)程中必然存在一定的能量損耗.而壓縮波加速的方式比沖擊波加速的方式效率高,這是因?yàn)闆_擊波作用過(guò)程的熵增大,有更多的能量轉(zhuǎn)換為飛片的內(nèi)能.

3 結(jié) 論

基于神光III原型激光裝置,開(kāi)展了三種不同方式的激光驅(qū)動(dòng)飛片實(shí)驗(yàn)研究.對(duì)于整形長(zhǎng)脈沖激光直接燒蝕加速飛片,可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行波形設(shè)計(jì),控制飛片的飛行路徑和姿態(tài),是一種獲得固態(tài)飛片的有效途徑.這種方式效率高,但是對(duì)激光整形能力要求較高,而且需要考慮激光直接作用對(duì)飛片的預(yù)熱.采用激光燒蝕氣庫(kù)膜產(chǎn)生等離子體碰撞的方式也可以以準(zhǔn)等熵加速固態(tài)飛片,雖然其本質(zhì)也是壓縮波作用,但由于避免了激光直接作用,大大降低了預(yù)熱的風(fēng)險(xiǎn),而且這種方式對(duì)激光的波形要求低.缺點(diǎn)是對(duì)于單一氣庫(kù)結(jié)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)超高速飛片發(fā)射,目前僅實(shí)現(xiàn)11 km·s?1的飛片發(fā)射,而復(fù)雜結(jié)構(gòu)的氣庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又大大增加了靶加工制作的難度.短脈沖激光直接燒蝕加速可以獲得超高速度的飛片,目前已獲得平均速度達(dá)50 km·s?1的復(fù)合銅飛片,可以直接開(kāi)展飛片加載產(chǎn)生沖擊波實(shí)驗(yàn)研究.但是強(qiáng)沖擊波作用必然導(dǎo)致飛片內(nèi)部嚴(yán)重的熵增和溫升,如果要進(jìn)行狀態(tài)方程研究,必然要考慮飛片的殘余溫度,否則將會(huì)引入很大的誤差.總體而言,采用何種方式來(lái)驅(qū)動(dòng)飛片,取決于自身的實(shí)驗(yàn)條件和研究目的.在今后的實(shí)驗(yàn)研究中,對(duì)于飛片溫度的測(cè)量是需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題.

本文中所有實(shí)驗(yàn)均得到了神光III激光裝置運(yùn)行人員、靶制備部門(mén)及實(shí)驗(yàn)物理部診斷人員的大力協(xié)助,在此表示衷心的感謝!

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PACS:47.40.Nm,47.80.Cb,47.85.Dh,52.38.M fDOI:10.7498/aps.66.064703

Experim ental p rogress of laser-d riven fl yers at the SG-III p rototype laser facility?

ShuiM in?Chu Gen-Bai Xi Tao Zhao Yong-Qiang Fan Wei HeWei-Hua Shan Lian-Qiang Zhu Bin Xin Jian-Ting?Gu Yu-Qiu

(Key Laboratory of P lasm a Physics,Research Center of Laser Fusion,China Academ y of Engineering Physics, M ianyang 621900,China)
(Received 8 O ctober 2016;revised m anuscrip t received 4 Novem ber 2016)

Laser-d riven fl yers have unique advantages of high fl yer velocity,low cost,sim p le facility com pared w ith the fl yers driven by other conventional dynam ic high-pressure loading techniques.W ith the fast development of laser technique, launching hypervelocity fl yers w ith high-intensity laser pulse has becom e m ore and m ore prevalent.In this paper,we introduce the recent experim ents of laser-driven fl yers at the SG-III p rototype laser facility.

Three ways of launching hypervelocity fl yers are developed and introduced,respectively.In the fi rst way,mu ltilayered alum inum fl yersare gradually accelerated to a term inal velocity of8 km/s,which ismeasured by op tical velocimetry,w ithout melting and vaporization.The p ressure distribution w ithin the fl yer shows that the tem porally ram ped pu lse ab lation generates a com p ression wave,and the fl yer is accelerated by this wave and its reverberation w ithin the fl yer.In the second way,a strong laser ablates the low-density reservoir foil and generates strong shock in the foil. The shock wave is strong enough,and when the shock breaks out from the free surface,the foil w ill unload as p lasm a towards the fl yer w ith a density profi le.The p lasma decelerates upon colliding the fl yer,and the single-layered fl yer is gradually accelerated by them om entum transition.In our experim ents,single-layered alum inum foil and single-layered tantalum foil are accelerated to 11.5 km/s and 6.5 km/s,respectively.According to the p ressure distribution w ithin the fl yer,the fl yer is also accelerated by the com pression wave p roduced by the p lasm a collision,which is sim ilar to the case of direct ab lation by tem porally ram ped pulse.However,theway of p lasma collision could better reduce X-ray and electron p reheat and obtain cleaner fl yers.In the last way,the fl yers are launched by direct strong short-laser ablation. The multi-layered alum inum foil is accelerated to a high average velocity of 21.3 km/s by using a 3-ns quadrate laser pu lse at 351 nm after spatial hom ogenization.A line-velocity interferom eter system for any reflect(V ISAR)is em p loyed tom onitor the p rocesses of fl yer launch and fl ight in a vacuum gap and the shock velocity associated w ith phase change in fused silica target after fl yer im pact is inferred.The reflectivity variations of the VISAR fringe pattern and the shock velocity in the fused silica suggest that the fl yer owns a density gradient characteristic.Furthermore,specifically designed multi-layered fl yers(polyim ide/copper)are accelerated by shock im pedance and reverberation techniques to a super high averaged velocity of 55 km/s,which ismuch faster than recently reported resu lts.Light-em ission signals of shock breakout and fl yer im pact on fl at or stepped w indow s are obtained,which indicates the good p lanarity and integrity for the fl yer.Com pared w ith single-layer fl yers,multi-layered fl yers have a good p lanarity,and a high energy conversion effi ciency from laser to fl yers.

In this paper,we give a com prehensive analysis and com parison of the experim ental designs,techniquem eans and data results about laser-d riven fl yers.Thiswould p rovide a reference for further experim ental study of laser-d riven fl yers and also verify that the SG-III p rototype laser facility is a very prom ising facility for studying the hypervelocity fl yers launching field.

shock wave,laser-driven flyers,dynam ic high-pressure physics,plasma

10.7498/aps.66.064703

?國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):11504349)和中國(guó)工程物理研究院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(批準(zhǔn)號(hào):9140C 680305140C 68289)資助的課題.

?通信作者.E-m ail:shuim in123@163.com

?通信作者.E-m ail:jane_x jt@126.com

*Pro ject supported by the National Natu ral Science Foundation of China(G rant No.11504349)and the Key Laboratory Foundation of China Academ y of Engineering Physics(G rant No.9140C680305140C 68289).

?Corresponding au thor.E-m ail:shuim in123@163.com

?Corresponding au thor.E-m ail:jane_xjt@126.com