辐射驱动条件下冲击波速度直接测量技术

 针对超高压下透明材料的高压离化机理,分析了透明材料中冲击波直接诊断技术的基本方法。利用Drude自由电子气模型,分析了不同冲击压力下冲击波阵面反射率的变化。设计了专门的实验,将探测器致盲区与信号区错开,获得了蓝宝石中冲击波阵面反射的信号。结果表明:冲击波速度为32 km/s时,其波阵面的反射率约为35%,致盲效应出现时间与激光脉冲峰值到达时刻相同,持续时间也与激光脉宽相同。分析了致盲应产生的原因,并提出了解决办法。给出了加蓝宝石窗口后的测速公式,经过和实验对比,确认了测速公式的正确性。     

"三明治"靶型在间接驱动冲击波实验中的应用

间接驱动方式具有提供更高冲击波压力的潜力,对冲击波物理研究来说是一种很好的驱动方式.针对间接驱动下X射线离化对透明窗口造成的致盲问题,提出了新的"三明治"靶型结构,以完成间接驱动下冲击波实验.该靶型可以用两种方法避免致盲效应对实验的干扰.一种方法是从时间上避开致盲效应,使致盲效应与冲击波测量区错开,从而获得冲击波数据.另一种方法是从强度上屏蔽X射线,将X射线阻挡在透明材料之前,使其不能产生致盲效应.对单冲击实验而言,用增加烧蚀层厚度的方法,将X射线离化效应与冲击波信号从时间上错开,获得了蓝宝石和石英晶体中冲击波实验的结果.用增加阻挡层的方法,获得了间接驱动条件下石英晶体和聚苯乙烯材料中的冲击波实验结果.提出的"三明治"靶型,为间接驱动条件下状态方程和冲击波调速技术提供了技术支持. 关键词： 冲击波 光学诊断 离化效应 干涉仪     

整形脉冲驱动下透明材料离化现象

 利用成像型速度干涉仪研究了大型激光原型装置整形脉冲驱动实验中产生的预热效应。对冲击波传输过程进行了分析,发现第１和第２个冲击波的起始时刻都在胶层里面,第３个冲击波的起始时刻在熔石英窗口里面。实验发现,由于X光离化效应的影响,第１和第２个冲击波传输引起的条纹跳变并没有观察到。第２和第３个激光脉冲前半部分产生的离化效应将透明窗口完全漂白,导致成像型速度干涉仪获得的条纹图出现了间断。实验观察到了第３个激光脉冲驱动的冲击波在熔石英中产生的加速和减速过程。对整形脉冲获得的实验结果进行了初步解释,得出现有条件下整形脉冲驱动应注意的问题为：控制最高辐射温度,选用带隙大的窗口材料,尽量减小胶层的厚度。     

辐射驱动条件下冲击波诊断用透明窗口离化现象研究

针对间接驱动情况下,冲击波诊断中出现的X光离化问题,利用半导体模型,解释了蓝宝石和石英晶体材料中出现黑区的理论过程,并进行了实验验证.利用光生载流子模型分析了石英晶体中时间方向上出现调制的过程,并进行了实验验证.发现使用石英晶体作为窗口材料,使用60μm厚度的烧蚀层,在180 eV辐射温度条件下,没有出现明显的黑区.使...     

激光驱动准等熵压缩透明窗口LiF的透明性

LiF在激光驱动高压实验中是比较常见的窗口材料, 其在冲击下透射或反射可见诊断光是作为窗口材料的重要特性. 在神光III原型激光装置上开展了带LiF窗口的铝样品准等熵压缩实验, 采用任意反射面速度干涉仪诊断获得准等熵压缩样品(CH/Al/LiF)的反射率. 实验结果表明在准等熵压缩后期反射率诊断出现致盲现象. 为此, 建立了带透明窗口的样品对诊断光的反射率模型, 模型考虑了窗口LiF压缩后透明性变化. 模型计算的CH/Al/LiF样品对可见光的反射率时间演化过程与实验结果符合较好. 研究结果表明: LiF中压缩波追赶逐渐形成强冲击波, 显著降低了LiF的透明性, 并最终发生致盲现象; 第一性原理方法所给出的LiF的能带间隙偏低1–2 eV; 该实验中, LiF的透明性完全消失时, LiF中波头处的温度约为1 eV, 压力为2–3 Mbar.     

非临界相位匹配KTP光学参量振荡器的研究

对电光调Q(Ce,Nd):YAG激光抽运内腔非临界相位匹配(NCPM)光参量振荡器(IOPO)进行了实验研究,实验发现IOPO输出光波长为532 nm、632 nm、1 064 nm、1 100 nm和1 571 nm 5种。OPO输出镜对信号光反射率较大时,信号光出现多脉冲,可以通过控制信号光反射率,使信号光为单脉冲。信号光能量随着抽运能量增加到一定值后出现饱和。     

基于速度干涉仪的冲击波精密调速实验技术研究

冲击波精密调速技术是惯性约束聚变研究的关键技术之一. 针对冲击波精密调速诊断技术的要求, 以神光III原型上脉宽为3 ns的两台阶整形激光脉冲为源, 用石英晶体做窗口材料, 模拟了双冲击在石英晶体中传输和追赶的过程. 利用两发典型双冲击波调速的实验数据, 验证了神光III原型具有的精密调速能力. 实验结果表明, 在驱动源、 靶和诊断系统参数一致的条件下, 两发实验获得的实验结果中两次冲击出现的时刻, 冲击波速度都很一致. 通过精细分析, 发现在两次冲击交会的时刻, 干涉条纹清晰度和完整性变化最大, 最终数据处理获得的冲击波速度偏差也最大. 同时, 在二次冲击的冲击波速度有较大增加的条件下, 并没有观察到冲击波阵面的反射率的明显增加. 本文的实验结果作为一个数据依据, 为全面开展冲击波调速实验提供了有效的方法.     

预热效应影响下冲击波速度推算方法

介绍了超高压条件下应用于透明材料中冲击波速度直接测量的成像型速度干涉仪技术。利用成像型速度干涉仪技术研究了间接驱动实验中产生的预热效应对冲击波速度计算的影响。对预热效应出现的时间点进行了分析,发现在辐射温度高于160 eV以后,不能从现有速度干涉仪系统获得的实验结果直接反演出冲击波速度。对实验数据进行了处理,获得了预热出现时间点的实验数据,发现预热效应出现在方波激光脉冲平台期到达时刻,在激光最强处达到最大,而且在激光脉冲平台期结束后,预热效应可以逐渐恢复。实验发现,对辐射温度高于160 eV获得的实验结果,可以从条纹断点直接外推,得到冲击波减速数据。讨论了条纹外推方法处理间接驱动条件下方波打靶时,使用固体无机透明材料作为窗口获得的实验结果。     

基于泵浦探针法研究VO_2薄膜多波段红外激光相变特性

用泵浦探针法实验研究了红外激光辐照二氧化钒薄膜的相变特性.首先利用氧源-分子束外延法制备了薄膜厚度分别为20nm、40nm、60nm的三组VO_2单晶外延薄膜,并且以10.6μm的CO_2连续激光作为泵浦光,分别以1 064nm和3 459nm的纳秒脉冲激光作为探针光,对这三组薄膜分别进行了辐照实验.实验发现三组薄膜相变后对1 064nm探针光的透过率降低量平均值分别为5.26%、6.2%、8.92%,反射率降低量分别为3.09%、6.56%、4.93%;对3 459nm探针光透过率降低量平均值分别为28.4%、47.78%、55.13%,反射率升高量平均值分别为6.65%、17.87%、7.49%.结果表明:利用分子束外延法制备的纳米级VO_2薄膜相变前后对入射激光为镜面反射;薄膜对3 459nm探针光的相变特性比对1 064nm探针光相变特性显著;薄膜厚度的增加会降低相变前透过率,但是对相变后透过率降低更为明显;薄膜对10.6μm CO_2连续激光相变前后始终保持几乎不透.研究结果可为薄膜的应用提供参考.     

Z箍缩动态黑腔形成过程MULTI程序一维数值模拟

Z箍缩动态黑腔能够高效地将Z箍缩丝阵等离子体动能转换为黑腔辐射能,为驱动惯性约束靶丸聚变提供高品质的X射线辐射场.利用一维双温多群辐射磁流体力学程序MULTI-IFE,研究了"聚龙一号"装置驱动电流条件下的Z箍缩动态黑腔形成基本物理过程.数值模拟结果表明,在动态黑腔形成过程中,辐射热波的传播速度比冲击波的传播速度更快,比冲击波更早到达泡沫中心,使中心区域的泡沫在冲击波到达前就已具有较高的辐射温度.对于"聚龙一号"装置动态黑腔实验0180发次采用的负载参数,辐射热波和冲击波在泡沫中的传播速度分别约为36.1 cm/μs和17.6 cm/μs,黑腔辐射温度在黑腔形成初期约80 eV,在冲击波到达泡沫中心前可达100 eV以上,丝阵等离子体外表面发射的X射线能量集中在1000 eV以下.本文给出了程序采用的计算模型、美国"土星"装置丝阵内爆计算结果和"聚龙一号"装置动态黑腔实验0180发次模拟结果.     

Shock wave velocity measurement in the Al2O3 under ultrahigh pressure

In indirect-drive experiment, the blank effect caused by X-rays from Hohlraum will show the dark area in time scale of optical streak camera (OSC). This blank effect, which was a serious problem in indirect-drive shock wave experiments, has been explained by the semiconductor model. The X-rays cause the band to band transition and the probe laser is absorbed by the intraband transition, which leads to a dark region in time scale of the OSC image. In the experiment, the reflectivity of shock wave front was measured to be about 50% at shock wave velocity 32 km/s and was compared to the theoretical calculations with the Drude free electron model. From the experimental data, it is found that the blank effect can be avoided at radiation temperature of 170 eV if the Al layer is thicker than 60 μm.     

基于神光Ⅲ原型装置的激光加载条件下准等熵压缩实验研究进展

激光加载条件下的准等熵压缩实验逐渐受到重视.在间接驱动方式下,利用气库靶的方式可以获得准等熵压缩的实验数据.自由面速度和界面速度是两种常用的准等熵压缩诊断对象.气库靶驱动准等熵压缩方式效率较低,但是对打靶激光的强度变化不敏感.长脉冲打靶的直接驱动方式驱动效率较高,但对激光强度变化非常敏感.基于神光Ⅲ原型装置,本文介绍了气库靶驱动的准等熵压缩实验靶型、部分实验结果,并分析了实验中的关键技术,为气库靶驱动准等熵压缩实验技术提供了思路.同时,介绍了长脉冲直接驱动准等熵压缩实验的靶型、典型实验结果,并分析了致盲效应的影响.利用激光直接驱动的方式,获得了三台阶Al/LiF界面的加载过程.该数据是目前国内使用该技术获得的最好数据.通过这些实验结果,证明了在神光Ⅲ原型上开展准等熵压缩实验的可行性.     

Experimental EOS determination of aluminum at Mbar pressure

Equations of state (EOS) of matter at Mbar pressure are fundamental to numerous applications such as in astrophysics[1], plasma physics[2], inertial confinement fusion[3—6], and other related fields. Laser directly and indirectly induced shock wave compression of materials is an effective way to access these material states. Many recent experiments have been devoted to the study of laser driven shock waves and their use in the EOS measurement of strongly compressed materials[7]. It is well…     

脉冲激光烧蚀Ge产生等离子体特性的数值模拟

 针对激光烧蚀半导体材料Ge初期的特点，建立了1维的热传导和流体动力学模型。对波长为248 nm、脉宽为17 ns、峰值功率密度为4×10⁸ W/cm²的KrF脉冲激光在133.32 Pa氦气环境下烧蚀Ge产生等离子体的特性进行了数值模拟。结果表明：单个激光脉冲对靶的烧蚀深度达到55 nm，蒸气膨胀前端由于压缩背景气体产生压缩冲击波, 波前的速度最大，温度很高。从不同时刻的电离率分布图中得出，在靶面附近区域，Ge的1阶电离始终占优势；在中心区域，脉冲作用时间内，Ge的2阶电离率比1阶电离率大，脉冲结束后，Ge的2阶电离率下降，1阶电离率逐渐变大。     

Shock wave propagation in soda lime glass using optical shadowgraphy

Propagation of shock waves in soda lime glass, which is a transparent material, has been studied using the optical shadowgraphy technique. The time-resolved shock velocity information has been obtained (1) in single shot, using the chirped pulse shadowgraphy technique, with a temporal resolution of tens of picoseconds and (2) in multiple shots, using conventional snapshot approach, with a second harmonic probe pulse. Transient shock velocities of (5–7) × 10⁶ cm/s have been obtained. The scaling of the shock velocity with intensity in the 2 × 10¹³–10¹⁴ W/cm² range has been obtained. The shock velocity is observed to scale with laser intensity as I^0.38. The present experiments also show the presence of ionization tracks, generated probably due to X-ray hotspots from small-scale filamentation instabilities. The results and various issues involved in these experiments are discussed.     

Shadowgraph investigation of plasma shock wave evolution from Al target under 355-nm laser ablation

The propagation of a plasma shock wave generated from an Al target surface ablated by a nanosecond Nd:YAG laser operating at 355 nm in air is investigated at the different focusing positions of the laser beam by using a time-resolved shadowgraph imaging technique. The results show that in the case of a target surface set at the off-focus position, the condition of the focal point behind or in front of the target surface greatly influences the evolution of an Al plasma shock wave, and an ionization channel forms in the case of the focal point set in front of the target surface. Moreover, it is found that the shadowgraph with the evolution time around 100 ns shows that a protrusion appears at the front tip of the shock wave if the focal point is at the target surface. In addition, the calculated results of the expanding velocity of the shock wave front, the mass density, and pressure just behind the shock wave front are presented based on the shadowgraphs.     

神光-III激光装置时标激光和任意反射面速度干涉仪探针光源产生技术

在惯性约束聚变研究中, 时标激光是对物理诊断数据进行分析的重要时间标尺, 而任意反射面速度干涉仪(VISAR)光源则是冲击波精密诊断必不可少的探针光源. 通过对物理需求的分析, 提出对时标激光与VISAR光源共用脉冲产生单元, 采用时分复用技术实现二者在同一台幅度调制器上的精密整形, 经1×2分束后再通过声光开关进行选择输出, 从而降低了系统造价, 便于集中控制. 采用了脉冲稳偏、高稳定空间放大、高精度温控谐波转换技术及可快速插拔精密复位的光纤耦合和传能技术, 实现了时标和VISAR光源脉冲的高稳定输出. 研制的时标激光系统可产生与主激光高精度同步的12路二倍频、4路三倍频时标信号, 为神光-III激光装置物理实验提供了重要的时间基准. 产生的VISAR光源脉冲在经过光纤系统和Nd: YAG棒状放大器后, 通过温控LBO晶体倍频, 然后经1 mm芯径的多模传能光纤传输至成像型VISAR系统, 为物理实验提供了单纵模、高亮度、可精密整形的脉冲激光. 系统已用于VISAR诊断物理实验, 获得了完整的冲击加载、减速的图像, 从而为冲击波调速及相关高压物理实验提供了可靠的技术手段.     

超短脉冲激光诱导单晶铜熔化的物理机制

 采用校正的分子动力学方法研究了超短脉冲熔化单晶铜的动力学微观机制,建模时将熔化潜热的消耗及自由电子的热传导均考虑在内,使熔化过程的模拟更加真实。皮秒激光熔化单晶铜是一种过热熔化,可归因于液相在固相中的均匀形核。熔沿传播的速度高达5.8 nm/ps ,高于铜中声速。熔化发生在热约束区域内部,导致温度分布不太复杂,且卸载波对应力波的影响与应力约束区域相比较弱。