一种激光驱动高压状态方程绝对测量方法的探索

数值模拟了激光直接驱动铝飞片空腔靶的物理过程,模拟结果表明,如果靶结构参数与激光条件匹配,飞片与靶可以近似实现对称碰撞,而且冲击波在靶中存在稳定传播区,采用结构参数合理的飞片双面台阶靶,可能实现状态方程的绝对测量.同时进行了实验探索,实验结果与数值模拟结果基本吻合. 关键词： 绝对测量 飞片双面台阶靶 数值模拟 状态方程     

“天光一号”驱动的聚苯乙烯高压状态方程测量

聚苯乙烯等CH材料的高压状态方程研究对于ICF聚变点火具有重要意义.本文基于"天光一号"长脉冲激光装置开展了聚苯乙烯高压状态方程研究,理论模拟了靶内的冲击动力学过程,采用侧向阴影成像技术实验测量了不同厚度的聚苯乙烯平面靶和飞片靶,获得了靶内的冲击波速度与粒子速度等状态方程参数.结果表明:长脉冲激光驱动下CH平面靶内经历了明显的准等熵加载过程,并逐渐演化为弱冲击加载.实验测量平面靶压力12 GPa,飞片撞击靶压力34 GPa,与模拟结果基本相符.     

大气环境下飞秒激光对铝靶烧蚀过程的研究

利用时间分辨的光阴影成像技术研究了在大气环境下飞秒激光烧蚀铝靶的动态过程. 在入射激光能量为4 mJ, 激光光斑超过1 mm时, 激光烧蚀区表面物质以近似平面冲击波形式向外喷射; 在同样激光能量下、激光光斑较小时(约0.6 mm), 激光烧蚀区以近似半球型冲击波形式向外喷射. 当激光能量比较大时(7 mJ), 发现空气的电离对于激光烧蚀靶材有着重要影响. 在光轴附近烧蚀产生的喷射物具有额外的柱状和半圆型的结构, 叠加在平面冲击波结构上.     

基于量纲分析的平面冲击波经验模型研究

当飞片或靶板材料的冲击雨贡纽参数未知时,根据现有靶板撞击面冲击波压力的理论模型无法对其冲击波压力峰值和脉冲宽度进行准确预估。针对该问题,基于相似理论,对影响冲击波压力峰值和脉冲宽度的因素进行量纲分析,分别建立了冲击波压力峰值和脉冲宽度的经验模型,且模型中各项均有明确的物理意义。通过实例分析,获得了不同飞片厚度和冲击速度下,45钢冲击纯镍产生的平面冲击波的经验模型定量关系式,模型预测结果与实验测量值较为吻合。     

激光驱动带窗口宏观飞片特性实验研究

 利用激光驱动带窗口宏观高速飞片技术可以实现对材料的一维加载,特别适合开展材料的高压状态方程及高应变率下材料的动态力学特性研究。利用小型脉冲YAG激光器进行了驱动飞片技术研究。开展了飞片结构对飞片力学参数影响的实验,结果表明：复合靶飞片的能量耦合效率比单膜结构飞片具有较大的提高,平均速度提高约15%~30%。同时,飞片的平面性和完整性也有明显的改善。实验中测量了飞片的启动弛豫时间,结果显示：飞片的启动弛豫时间为5~10 ns。利用多通道光纤阵列开展了飞片的平面性测量。实验结果表明,在约1.0 mm的范围内,飞片的时间分散性为20~30 ns。利用高灵敏度激光干涉技术,对飞片速度历史进行了测量,结果表明,飞片在前20 ns就加速到最终速度的90%以上。     

激光驱动飞片的线面成像VISAR测速技术

以激光驱动飞片速度场诊断为例,展示线面同时成像任意反射面速度干涉仪(VISAR)技术在超高速碰撞研究中的应用前景。将传统VISAR改为成像干涉结构,用变像管扫描相机和高速光电分幅相机分别记录作为信号载体的梳状干涉条纹随时间的变化,实现靶面一条线上各点速度历程和多个时刻二维靶面上所有点速度相对分布的测量。所研制的线面同时成像VISAR具有10μm的空间分辨和约15m/s的速度分辨能力。用其测量了激光驱动铝膜飞片的速度场,直观给出飞片的演化发展过程。实验结果表明,线面同时成像VISAR技术可以为激光驱动飞片、超高速碰撞等领域的理论研究和数值模拟提供有效比对实验数据。     

强激光与稠密等离子体作用引起的冲击波加速离子的研究

用二维PIC（Particle-in-Cell）程序模拟研究了强激光与稠密等离子体靶作用产生的无碰撞静电冲击波的结构和这种冲击波对离子的加速过程,研究发现由于冲击波前沿附近的双极电场的作用,具有一定初速度的离子能被该双极场俘获并获得加速,最终能够被加速到两倍冲击波速度.冲击波加速可以得到准单能的离子能谱,叠加在通过鞘层加速机理产生的宽度离子能谱上.还对不同激光强度和不同等离子体密度情况下形成的冲击波进行了比较.研究表明,强度相对较低的激光在高密度等离子体中可以产生以一定速度传播的静电孤波结构,后者只能加速 关键词： 强激光 稠密等离子体 无碰撞静电冲击波 离子加速     

光纤传输激光驱动飞片实验研究

构建了一种基于光纤传输高功率激光的飞片发射系统,并测试了飞片速度.飞片膜层为三明治结构:铝烧蚀层、氧化铝隔离层和铝飞片产生层.飞片膜层采用磁控溅射技术沉积在玻璃衬底上,总厚度为5.5 μm.激光辐照铝膜层产生高温高压等离子体,驱动剩余膜层产生高速飞片,速度达数km/s.同时,实验研究了光纤传能系统的输出激光空间分布特性和传输激光能量容量,它们决定了飞片的平面性和最大速度.光纤端面损伤是限制光纤传输激光能量容量的关键因素,光纤端面通过精密机械抛光和激光预处理可以获得理想的抗激光损伤能力.采用基于光纤阵列探针的时间序列测试技术获得了飞片的平均速度,并评估了飞片的平面性.采用搭建的基于光纤传输高功率激光的飞片发射系统获得了速度达1.7 km/s、直径接近1 mm的高速飞片. 关键词： 激光驱动飞片 激光辐照 光纤阵列探针 激光等离子体     

约束靶面黑漆涂层对激光冲击波的影响

 介绍了约束靶表面的黑漆涂层对激光冲击波的影响。激光功率密度 10⁹W/cm²量级，脉宽33ns，波长1.06μm。靶材选用两种不同厚度的铜和铝，靶表面用有机玻璃约束。通过对冲击波压力的直接测量发现，涂层不仅可以增加激光冲击波压力，而且还影响冲击波的演化过程。比较有无涂层的靶面SEM照片发现，黑漆涂层能有效地保护激光辐照表面，使之不受激光烧蚀。     

为实现准等熵压缩的波阻抗梯度飞片的实验研究

采用粉末冶金方法,制备出波阻抗沿厚度方向呈特定分布的WMoTi体系梯度飞片,在二级轻气炮上进行了梯度飞片击靶实验的初步研究.结果表明,利用梯度飞片可以实现对靶样品的准等熵压缩,击靶后产生的波阵面是平缓、连续上升的,明显不同于冲击压缩的陡峭波阵面,靶面压力峰值最高达到了167GPa.波阻抗按二次函数分布的梯度飞片能够获得最佳的击靶波形 关键词： 波阻抗梯度飞片 准等熵压缩     

激光驱动飞片三中阶靶模型的分析：用于状态方程的绝对测量

We present the numerical calculation of the model of aluminum flyer-vacuum-target with high power laser driving.The results show that the parameters of laser and target's structure have great effects on the state of flyer and the character of shock-waves in the target.If we select the parameters of laser and target's structure reasonably, we can achieve approximately symmetric impact between flyer and target;moreover,the shock-wave in the target has a stable area with a certain spatial width.So,if we choose the three-step-target with a suitable thickness,we can approach an absolute measurement of equation-of-state.     

Numerical Simulation of the Response of an Aluminum Target Impacted by an Intense Laser Driven Flyer

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｔｈｅｉｍｐａｃｔｔｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆｆｌｙｅｒｄｒｉｖｅｎｂｙｃｈｅｍｉｃａｌｅｘｐｌｏｓｉｖｅａｎｄｇａｓｇｕｎｈａｓｂｅｅｎｕｓｅｄｔｏｓｔｕｄｙｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅｅｑｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔａｔｅ (ＥＯＳ)ｆｏｒｍａｎｙｙｅａｒｓ[1] .Ｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｆｌｙｅｒｉｓａｔａｌｏｗｅｎｅｒｇｙｄｅｎｓｉｔｙａｎｄｅｎｔｒｏｐｙｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｓｔａｔｅｉｎｔｈｉｓｃａｓｅ ,ｉｔｃａｎｅａｓｉｌｙｒｅｃｏｖｅｒｉｔｓｉｎｉｔｉａｌｓｔａｔｅｂｅｆｏ…     

Numerical Simulation of the Response of an Aluminum Target Impacted by an Intense Laser Driven Flyer

Numerical calculations of the response of an aluminum target impacted by an aluminum flyer driven by an intense laser are presented. The state of the accelerated flyer and the characteristics of shock wave propagation in the target are described in detail. If the parameters of laser and flyer-target structure are selected reasonably, an approximately symmetric impact can be realized between the flyer and the target, also the shock wave in the target has a wide stable range. Therefore the absolute measurement for the equation of state (EOS) can be almost achieved in laser EOS experiments with the bothside-step-target of suitable thickness.     

Generation of laser-driven flyer dominated by shock-induced shear bands: A molecular dynamics simulation study

High-power pulsed lasers provide an ingenious method for launching metal foils to generate high-speed flyers for high-pressure loading in material science or aerospace engineering.At high-temperature and high-pressure laser-induced conditions,the dynamic response of the metals and the mechanism of flyer formation remain unclear.In this study,the overall process of the laser-driven aluminum flyer,including laser ablation,rupture of metal foil,and the generation of the flyer was investigated by molecular dynamics combined with the two-temperature model.It was found that under high laser fluence(over 1.3 J/cm;with 200-fs laser pulse duration),the laser induced a shock wave with a peak pressure higher than25 GPa,which led to shear bands expanding from the edge of the laser ablation zone in the foil.Compared with the cases of low laser fluence less than 0.5 J/cm^-1,the shear band induced by high laser fluence promotes the rupture of the foil and results in a high-speed flyer(>1 km/s)with better flatness and integrity.In addition,the shock wavefront was found to be accompanied by aluminum crystal phase transformation from face-centered cubic(FCC)to body-centered cubic structure.The crystal structure reverts with the decrease of pressure,therefore the internal structure of the generated flyer is pure of FCC.The results of this study provide a better understanding of the laser-induced shock effect on the foil rupture and flyer quality and forward the development of the laser-driven flyer.     

激光驱动飞片加速特征分析

在激光驱动飞片研究中,飞片的加速特征是需要认识的关键问题之一。设计了强激光作用金属膜驱动飞片实验,采用聚偏氟乙烯（PVDF）压电薄膜测量了飞片到达不同距离的时间,计算得到飞片速度和加速度,分析激光能量对飞片加速性能的影响。基于Gurney能理论,建立了激光驱动飞片速度的计算模型,根据实验结果获得了激光能量损失系数和有效吸收系数,分析了激光能量和膜体厚度对飞片速度的影响。实验结果表明:不同激光能量下飞片的加速特征基本相似,激光能量变化对飞片的加速时间影响较小; 激光能量较大的情况下,膜体厚度对飞片最大速度、能量耦合系数的影响更显著; 当膜体超过一定厚度时,能量耦合系数不再增加。     

“神光-Ⅱ”装置倍频激光直接驱动冲击波平面性的实验研究

 设计了3套针对“神光-Ⅱ”倍频激光直接驱动的透镜阵列均匀辐照系统，并对冲击波的平面性进行了实验研究。结果表明，冲击波的平面性与透镜阵列参数、平面靶厚度、靶面位置等有关，采用列阵元数为121的透镜阵列进行激光束匀滑驱动的冲击波平面性最好，间接说明它在靶面的激光辐照是最均匀的；另外，随着靶厚的增加，冲击波平面性变差，平面区变小；而且冲击波平面性随靶面离焦位置的变化成一定的周期性变化，第2套透镜阵列焦点处的冲击波平面性最好。     

冲击压缩下钨靶对514.5 nm激光的漫反射率

 在二级轻气炮上完成了一系列铜飞片平面碰撞钨靶的实验,并测量了钨靶在85~250 GPa的冲击压缩下,对波长514.5 nm入射激光的漫反射率。实验结果显示：冲击压缩使钨靶表面的漫反射能力降低,但不是单调下降的,并在165 GPa压力附近出现漫反射率相对增大的现象。     

激光驱动飞片冲击引爆炸药的计算

 在Gurney方程和考虑金属相变状态方程的基础上， 提出了一种激光驱动飞片运动的计算模型。这种模型能确定与炸药临界起爆相关的参数，诸如沉积的激光能量、烧蚀层和飞片的厚度以及飞片飞行的距离等等。计算的结果与实验相符。在本模型中可以对电离、烧蚀及二维效应作进一步的考虑。     

Towards controlled flyer acceleration by a laser-driven mini flyer

A laser driven flyer (LDF) system is designed to blast off a very small, thin flyer plate for impact on a target. When a Nd:YAG laser beam is focused through a transparent substrate onto thin metal, a fraction of the metal is ablated. The blow-off products being contained between the substrate and the flyer make the remaining thin film launch as a separate flyer. Some energy of the laser beam is lost by reflection at the boundary between substrate and metal because of the high reflectivity. By using a proper metal of high absorptance at 1.064 μm wavelength, the laser coupling to the flyer would define the system efficiency of a launch system. An effort is presented here to improve the coupling results in the enhancement of the flyer velocity for a given pulse energy. An optimum energy conversion between laser energy and kinetic energy of the flyer is achieved through a black paint coating technique as opposed to a more conventional means of a multi-layered approach requiring electron beaming or magnetron sputtering that are rather expensive and time consuming. The mini flyer flown under 1.4 km/s showed a controlled flight trajectory without fragmentation, suggesting that performance of this simple system is competitive to if not better than other attempts by the multi-layered LDF systems.