神光Ⅲ原型装置激光驱动高速飞片实验研究进展

激光驱动飞片技术具有产生的飞片速度高、成本低、装置简单等传统动高压加载技术无法取代的优点.随着激光技术的发展,利用高功率激光脉冲发射高速飞片受到越来越多的关注.本文介绍了在神光Ⅲ原型装置上开展的激光驱动高速飞片实验研究.利用纳秒短脉冲和纳秒整形长脉冲,设计并开展了几种不同方式加速飞片的实验研究,成功获得了10 km·s~(-1)的固态铝飞片和50 km·s~(-1)超高速度的复合金属飞片,而且飞片具有良好的平面性和完整性.对实验的物理设计、技术途径和数据结果进行了比较全面的分析,为进一步开展激光驱动高速飞片相关实验研究提供了思路,同时也证明了神光Ⅲ原型装置在激光驱动高速飞片实验研究方面有着巨大的潜力.     

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。     

激光驱动飞片超高速发射技术实验研究

 介绍了影响激光驱动超高速发射技术的各种因素。分析了激光能量、激光光束空间分布对飞片发射速度及完整性的影响和飞片靶镀膜工艺对飞片速度及完整性的影响。结果表明：空间分布为“平顶型”的激光束有利于发射出完整的飞片。在膜与基底之间增加过渡层Cr可以大大提高膜与基底之间的附着力,从而提高飞片的发射速度。实验上利用波长1 064 nm、脉宽10 ns、能量835 mJ的激光使厚度5 μm、直径1 mm的铝飞片的发射速度达到10.4 km/s。大大提升了对微米级空间碎片速度的发射能力。     

一种新的线成像激光干涉测速系统

 设计并搭建了一种新的线成像激光干涉测速系统,用于小样品材料的冲击波诊断或飞片速度测量。系统采用梳状干涉条纹做为信号载体,利用1维光纤阵列＋光电倍增管＋数字示波器替代变像管扫描相机作为记录设备,记录伪推挽四路干涉信号,实现1 ns时间分辨和86 μm空间分辨。用它测量了脉冲激光驱动铝膜飞片的速度场,获得对比度较好的信号,数据处理结果揭示了飞片加速过程将近20 ns,飞片的平面度为14.8 mrad。实验证明,该线成像激光干涉测速系统具有一定实用性。     

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。     

“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。     

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。     

纳秒激光冲击加载的全过程诊断

 与传统的冲击加载方式相比,激光驱动试样具有微尺寸（直径小于1 mm,厚度约10 μm）、超短作用过程（纳秒量级）等特点,但其速度变化历史的实时诊断颇为困难,因此发展适用于激光驱动的高时空分辨率的实时测试技术是十分重要和有价值的。采用桌面式脉冲Nd:YAG激光器作为加载平台,发展了激光加载下的小焦点多普勒光纤探针测量系统（焦斑直径约200 μm,时间分辨力约50 ps）,成功实现了从激光脉冲驱动微尺寸飞片飞行直至撞击Z-切石英试样的全过程实时诊断。实验结果显示,将6 μm 厚Al箔飞片驱动至2.48 km/s时,撞击Z-切石英试样的粒子速度为1.27 km/s,与Hugoniot理论计算结果相符,表明该测试技术是可靠、有效的;多层薄膜靶结构设计（基底/烧蚀层/硅油/Al箔）可提升激光与靶物质的能量耦合效率,使飞片保持更好的宏观完整性。为开展超短脉冲激光加载下材料动态特性研究提供了一种有效的技术途径。     

激光等离子体射流驱动亚毫米直径铝飞片及姿态诊断

强激光烧蚀低密度有机材料形成等离子体射流碰撞,可以对材料进行准等熵加载,比激光冲击加载应变率低,相同压强下可以获得更高的压缩度和更低的温升,在状态方程、飞片加速等方面有很强的应用前景.在星光Ⅲ置上首次开展了等离子体射流驱动小尺寸铝飞片及姿态诊断联合实验.通过调控有机材料厚度和真空间隙长度,获得了厚度20μm、直径约400μm的铝飞片,飞片加速时间长达200 ns.基于ps拍瓦激光的高能X光背光照相结果显示铝飞片在飞行约400μm距离后仍然保持了很好的飞行姿态和完整性.     

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。     

激光驱动飞片过程中激光烧蚀深度的计算

利用激光体烧蚀模型,数值模拟了激光驱动飞片的加速过程,包括激光的吸收和飞片的速度历史等。在光强为GW/cm2量级的激光作用下,激光烧蚀产生的等离子体的流体力学运动可用改编的1维La-grange流体力学计算程序SSS来描述。通过计算得到不同激光能量下的飞片密度剖面,由此给出金属薄膜的烧蚀深度与实验测量值进行比对,二者符合得较好。     

低真空条件下炸药强爆轰驱动超高速飞片实验研究

 采用X光照相和电探针技术进行低真空条件下炸药强爆轰驱动超高速飞片实验研究,得到了在不同时刻超高速飞片撞击静止靶的图像。实验结果表明,在低真空条件下,通过多级爆轰驱动方法得到次级飞片速度较高,而且具有相当好的平面性。     

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.     

基于聚龙一号装置的超高速飞片发射实验研究进展

磁驱动加载技术通过脉冲功率源将超大脉冲电流加载到实验负载区,从而形成随时间平滑上升的磁压力,实现对样品的准等熵压缩和超高速飞片发射.本文基于聚龙一号装置的输出特性参数,依次从负载结构、电极尺寸、电流波形和诊断系统等方面,分别设计完成了两种负载构型的超高速飞片发射实验.其中应用单侧带状负载发射尺寸Φ10 mm×0.725 mm的LY12铝飞片速度达到11.5 km/s,磁驱动加载压力近0.9 Mbar.比较模拟计算与实验结果,飞片发射过程和最终速度基本一致.而进一步的模拟计算表明,优化的负载结构尺寸和电流波形调节方案下,将有望发射尺寸Φ8.5 mm×1 mm的铝飞片速度超过15 km/s.从模拟设计到实验开展,已初步掌握了基于多支路脉冲功率发生器的超高速飞片发射实验技术.     

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。     

磁驱动高速飞片模拟中滑移界面处理

在二维单介质磁驱动数值模拟程序(MDSC2)的基础上,采用局部结构整体非结构的网格拼接方法,研制了处理滑移界面的二维多介质程序。二维多介质程序解决了单介质程序无法处理的电极与飞片之间相互作用的模拟问题,能更准确地模拟磁驱动发射实验的飞片状态。计算结果表明:发射飞片的自由面部分始终保持固体密度状态;自由面速度历史和VISAR测量的速度曲线相吻合;飞片中间部分在电流加载过程中始终具有良好的平面性,飞片两端出现拖尾质量,产生不稳定性,这是由于飞片两端与飞片中间部分的磁场强度分布不同造成的。