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。     

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。     

磁驱动飞片二维磁流体力学数值模拟

针对磁驱动高速飞片发射技术,建立了磁驱动飞片的二维磁流体力学数学模型,并考虑了焦耳热对飞片的影响。在四边形网格的基础上,采用算子分裂法,把磁流体力学方程依次分成热扩散、磁扩散、理想流体力学三个物理过程进行求解,研制了磁驱动飞片二维磁流体力学数值模拟程序。对美国Sandia国家实验室Z装置上的一个磁驱动飞片发射实验进行了数值模拟,并分析了不同时刻焦耳加热对飞片的烧蚀情况,计算得到的飞片自由面速度曲线与实验激光速度干涉仪测量的结果相吻合。     

磁驱动飞片二维磁流体力学数值模拟

针对磁驱动高速飞片发射技术,建立了磁驱动飞片的二维磁流体力学数学模型,并考虑了焦耳热对飞片的影响。在四边形网格的基础上,采用算子分裂法,把磁流体力学方程依次分成热扩散、磁扩散、理想流体力学三个物理过程进行求解,研制了磁驱动飞片二维磁流体力学数值模拟程序。对美国Sandia国家实验室Z装置上的一个磁驱动飞片发射实验进行了数值模拟,并分析了不同时刻焦耳加热对飞片的烧蚀情况,计算得到的飞片自由面速度曲线与实验激光速度干涉仪测量的结果相吻合。     

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。     

单脉冲飞秒激光烧蚀炸药过程的热效应研究

飞秒激光能够在极短时间内烧蚀炸药产生高温高压等离子体。可以利用飞秒激光对含能材料或含能元器件进行精密加工。深入认识飞秒激光烧蚀炸药过程中,炸药内部的热效应是发展飞秒激光加工炸药技术的基础。建立了单脉冲飞秒激光烧蚀炸药过程的流固耦合计算模型,考虑了在高温高压等离子体和炸药自热反应的共同作用下,炸药内部的热效应。对飞秒激光烧蚀TNT炸药过程进行了流体力学数值模拟。计算结果表明：TNT炸药中未烧蚀区域产生了热效应,峰值温度高于TNT炸药的点火温度,但由于炸药内热效应区域极小,高温持续时间极短,因此炸药内温度迅速下降,没有发生点火现象。     

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     

激光驱动含能复合飞片速度特性

采用真空磁控溅射方法制备了CuO/Al2O3/Al,(CuO/Al)Ⅱ/CuO/Al2O3/Al,(CuO/Al)Ⅷ/Al2O3/Al三种复合飞片,利用激光共聚焦显微镜和扫描电镜对复合飞片进行表征,结果表明,不同材料膜层的分界面清晰可见,复合薄膜的表面结构致密,颗粒基本尺寸可以达到nm级,均匀性好。利用光子多普勒测速技术对三种复合飞片速度进行测量,结果表明:将飞片靶放置在空气电离点偏前的位置(入射激光方向),增大聚焦光斑,能改善激光电离空气引起的能量屏蔽作用;含能烧蚀层CuO/Al的存在,有助于提高飞片速度。在含能薄膜烧蚀层厚度一定的情况下,增大周期、减小每层薄膜厚度,有助于提高含能薄膜反应程度,减小飞片上升沿时间。在同等激光能量密度下,(CuO/Al)Ⅷ/Al2O3/Al的上升沿时间低于(CuO/Al)Ⅱ/CuO/Al2O3/Al。     

激光作用复合膜体驱动飞片的理论计算和实验研究

采用Gurney理论,建立了激光作用复合膜体驱动飞片的理论计算模型。通过修正膜体材料的激光能量吸收系数,对激光作用复合膜体结构形成的飞片速度进行计算,分析了膜体材料和结构组成对飞片速度的影响,确定了形成高速飞片的复合膜体结构。进行了强激光作用复合膜体驱动飞片实验,采用压电薄膜测量了飞片到达不同距离的时间,计算得到飞片的速度和加速度。结果表明:不同激光能量作用下复合膜体飞片的加速特征基本相似,激光能量的变化对飞片加速时间的影响较小,飞片速度随着光爆层厚度的增加呈先增大后减小的趋势;对应于不同的激光能量,光爆层存在最优能量吸收厚度。     

折射对泵浦激光在圆柱靶里的光路、吸收和烧蚀的影响

 用一维非平衡辐射流体力学和光路程序计算和分析了泵浦激光在圆柱靶里, 考虑有折射和无折射两种情况下泵浦激光的传播、吸收和靶烧蚀。计算表明,考虑激光折射的影响后,激光光路明显不同,靶烧蚀深度减小,激光能量吸收效率下降10%左右。     

激光驱动飞片的动量耦合模型研究

 激光驱动飞片技术在动高压加载和模拟空间高速粒子运动规律等实验中有重要的应用价值。而激光与飞片的动量耦合模型研究是激光驱动飞片技术的重要内容之一,其实质是激光与物质的作用规律的宏观表征。以激光支持爆轰波（LSDW）理论为基础,建立了约束条件下激光驱动飞片的动量模型,模型考虑了激光功率密度、脉宽、聚焦焦斑、侧向稀疏波、飞片表面气体参数、飞片面积等因素的影响,比较全面地反映了LSDW对飞片的力学作用特性,理论计算结果与参考文献结果吻合较好,误差不超过25%。     

激光驱动飞片的动量耦合模型研究

激光驱动飞片技术在动高压加载和模拟空间高速粒子运动规律等实验中有重要的应用价值。而激光与飞片的动量耦合模型研究是激光驱动飞片技术的重要内容之一,其实质是激光与物质的作用规律的宏观表征。以激光支持爆轰波（LSDW）理论为基础,建立了约束条件下激光驱动飞片的动量模型,模型考虑了激光功率密度、脉宽、聚焦焦斑、侧向稀疏波、飞片表面气体参数、飞片面积等因素的影响,比较全面地反映了LSDW对飞片的力学作用特性,理论计算结果与参考文献结果吻合较好,误差不超过25%。     

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。     

真空环境下激光烧蚀铝靶冲量耦合系数的数值模拟

通过分析不同情况下激光与固态靶、气化物质的作用机理,利用激光体烧蚀模型,采用流体力学理论和1维Lagrange有限差分的计算方法,对真空条件下不同激光参数下气化物质对靶产生冲量的过程进行了数值模拟,模拟计算结果与实验测量结果、Phipps定标关系符合较好。计算结果表明,在等离子体的情况下冲量耦合系数随着激光强度增大而减小。     

Ultrafast dynamic ellipsometry measurements of early time laser ablation of titanium thin films

The dynamics of laser ablated titanium thin films are investigated using a recently developed technique that measures time-resolved and one-dimensional spatially-resolved ablation dynamics in a single shot. Ultrafast dynamic ellipsometry, a technique based on space-shifted spectral interferometry, uses the time-dependent frequency of a chirped laser pulse to provide time encoding, allowing the picosecond probing of material dynamics in a single shot. With this technique, the sample is probed at two different incident angles with both s- and p-polarized light, which measures the motion of the material and any change in its complex refractive index. Ultrafast dynamic ellipsometry is applied to study the mechanism of initiation by laser-based optical detonators that employ the ablation of titanium thin films. The resulting data indicate that the titanium is ablated as a fragmented flyer and not as an expanding plasma.     

Laser-driven flyer application in thin film dissimilar materials welding and spalling

This paper applied a low cost method to pack and drive laser-driven flyer in the applications of welding and spalling. The laser system has the maximum energy of 3.1 J, which is much lower than that used in the previous study. The chemical release energy from the ablative layer was estimated as 3.7 J. The flying characteristic of laser-driven flyer was studied by measuring the flyer velocity at different locations with photonic Doppler velocimetry (PDV). The application of laser-driven flyer in welding Al and Cu was investigated at different laser spot size. Weld strength was measured with the peel test. Weld interface was characterized with optical microscopy (OM) and scanning electron microscopy (SEM). The study of application of laser-driven flyer in spalling was carried out for both brittle and ductile materials. The impact pressure was calculated based on the Hugoniot data. The amount of spalling was not only related to the impact pressure but also related to the duration of impact pressure. The fractography of spalled fracture surface was studied and revealed that the fracture mode was related to the strain rate. The spall strength of Cu 110, Al 1100 and Ni 201was measured and was consistent with the literature data.     

Feasibility investigations on a novel micro-embossing using laser-driven flyer

A novel micro-plastic microfabrication technique for embossing is presented, which uses laser-driven flyer as the loading method in forming. Experiments were performed by allowing the laser-driven flyer to impact the thin film, which is placed above a micromold. Micro-channel with dimension of 160 μm×45 μm was successfully fabricated on copper foil surface using laser-driven flyer. The effects of laser energy on deformation mechanism were investigated experimentally. Surface roughness changes on formed sample were discussed. The novel technique holds promise for achieving precise, well-controlled, low-cost, high efficiency of three-dimensional metallic microstructures. In addition, this technique can cold form high strength or difficult materials.     

激光冲击波压缩稠密铝辐射不透明度实验研究

基于稠密物质辐射不透明度的理论计算目前有相当大的难度, 而稠密物质高精度不透明度数据又对聚变研究中的理论设计和模拟以及状态诊断等方面非常有用. 在"神光II"激光装置上建立一发次中能同时测量背光谱、 样品自发谱和吸收谱的大谱窗高分辨椭圆弯晶测谱系统, 并利用一维辐射流体力学程序MULTI仿真冲击波碰撞压缩样品的过程.在测量中, 用点投影背光法、激光烧蚀冲击波碰撞压缩产生稠密铝(Al)样品, 激光镱等离子体3d–4f 跃迁辐射为短脉冲背光提供样品吸收谱时空分辨诊断, 在一发次打靶中得到了背光谱、样品自发谱和X射线吸收精细结构谱, 以及稠密Al辐射吸收谱向长波偏移.实验结果给出了诊断能谱区稠密Al相对透射率分布和吸收谱偏移量. 这些工作都有益于丰富不透明度这一基础研究领域和进一步开拓许多重要应用. 关键词： 冲击波压缩等离子体 X射线吸收谱 线移 精细结构