Kr F激光对高速飞片的驱动特性研究

李业军，王 钊，田宝贤，梁 晶，韩茂兰，陆 泽，汤秀章

（中国原子能科学研究院，北京 102413）

Kr F激光对高速飞片的驱动特性研究

李业军，王 钊，田宝贤，梁 晶，韩茂兰，陆 泽，汤秀章

（中国原子能科学研究院，北京 102413）

利用诱导空间非相干技术平滑的KrF准分子（248nm）激光驱动带有烧蚀层的平面靶，研究激光空间均匀性对产生完整飞片的影响，结果表明激光不均匀性在2%以下，能够产生完整的高速飞片，且完整飞片能够维持20ns以上不破裂；当激光不均匀性达到5%，激光引入流体力学不稳定性种子应很强，冲击波在靶内输运过程中不稳定性不断发展增强，到靶背时强到足以使飞片解体甚至气化，不能产生完整的飞片。为了获得尽可能高的飞片速度，采用激光与烧蚀层参数不匹配方法，使冲击波对飞片作多次加速。利用功率密度为1012W／cm2的Kr F激光与含50μm Kapton烧蚀层的5μm铝飞片作用，得到速度约10km／s的高速飞片，与模拟结果吻合得很好。

Kr F准分子激光；高速飞片；冲击波平面性；速度干涉条纹 ；侧向阴影照相

0 引 言

激光驱动飞片技术是20世纪80年代末迅速发展起来的一种新型动高压加载技术。激光驱动是利用激光烧蚀物质产生的高温高压等离子体推动未烧蚀完物体作高速飞行。与传统的高速驱动方式（气体炮、爆轰驱动以及电磁驱动等）相比，激光驱动飞片具有独特的优越性。目前最高飞片速度可达到1000km／s以上［1］，产生TPa量级的冲击压力，甚至更高；且具有装置简单、安全性高、频率特性好和经济性好等优点，能够极大提高科学研究效率。激光驱动高速飞片正广泛应用于高压物理学、空间科学、材料科学以及炸药的快速起爆等领域［2-4］。

激光驱动高速飞片对冲击波平面性要求应与激光驱动高压状态方程实验的平面性要求［5-7］一样，靶面各处的冲击波压强取决于该点处的激光辐照强度，强度越高，压强越大，相应的冲击波速度也越快，在靶中传播一段距离后，波阵面就越超前。理想（平整度与光洁度）靶面情况下，激光能量分布的空间均匀性决定冲击波平面性，而飞片的完整性与平面性取决于冲击波平面性。若冲击波存在流体力学不稳定因子，该因子会在冲击波输运过程中不断增长，增长到一定程度会导致飞片解体甚至气化。所以激光的不均匀性会“印”在等离子体上，进一步“印”在烧蚀面上，最终的结果是激光均匀性决定飞片的完整性与平面性。

目前，激光驱动飞片实验用靶主要有两种形式。一种是带约束层靶［8-10］，利用带约束层窗口阻挡激光烧蚀等离子体的后向膨胀，在激光强度较低的情况下能够有效提高冲击压力和飞片速度。受窗口材料破坏阈值的限制，驱动激光强度相对较低（～109W／cm2），所以驱动飞片速度不会太高，最高在8km／s左右。

另一种是激光直接与飞片靶（多数情况下飞片靶前带有烧蚀层）作用，由于不存在激光强度阈值问题，可以利用高强度（1012W／cm2）激光驱动飞片，能把飞片加速到更高速度，是发射高速甚至超高速（＞15km／s）飞片的主要技术途径。图1是激光直接驱动示意图，飞片发射机理为：高功率激光聚焦作用在靶（或烧蚀层）上，靶的表层（大约等于趋肤深度）吸收激光脉冲前沿的能量后，温度迅速升高而融化，发生电离，形成高温高密度等离子体，后续的激光能量吸收发生在等离子体临界面附近，通过等离子体中电子的逆韧致吸收完成。在临界面上，部分激光能量被吸收，部分被反射回去。吸收了激光能量的高速电子向四周飞散，向靶内输运的电子对靶面继续撞击，使得电子、离子或者碎片向外高速喷射。粒子在向外膨胀、喷射的同时，产生向靶内传输的冲击波。冲击波克服未烧蚀剩余靶片侧向剪切力作用产生飞片，冲击波与飞片自由面反射稀疏波的共同作用加速靶到高速度。

激光辐照靶面除了会产生烧蚀压力外，还会产生光压和热应力。在激光功率密度小于1015W／cm2的情况下，相对于烧蚀压，光压与由温度梯度造成的热应力可忽略不计。

图1 带烧蚀层靶结构示意图Fig.1 Structure sketch of target with ablation

由于烧蚀层为CH材料，无法采用磁控溅射等方法制作飞片层，飞片靶多采用轧制方式加工，靶表面光洁度较差，为了减小飞片产生过程中不稳定性的影响，对激光的均匀性要求就更高。具有短波长（248nm）KrF准分子激光恰好能够满足这方面的要求。KrF激光具有宽频带（3THz）特性，利用诱导空间非相干（ISI）［11］技术能够把激光束空间均匀性平滑到很高，然后采用像传递与角多路（MOPA）［12-13］技术，使激光焦斑空间均匀性得到极大提高，不均匀性能够控制在1%以内，可有效抑制流体力学不稳定性因子的产生与发展，利于驱动产生完整飞片；此外，与短波长对应的等离子体临界密度高，激光能够传输到等离子体密度更高区域，激光吸收效率高，产生的光压大，利于把飞片加速到高速度；与短波长对应的激光等离子体不稳定性（LPI）阈值高，能够有效抑制LPI发生，进一步遏制流体力学不稳定性种子源的产生。

目前，关于激光均匀性对驱动飞片的产生、飞片平面性与完整性的研究未见报道，本文利用高均匀性Kr F准分子激光与含烧蚀层飞片作用，研究激光均匀性对飞片的产生及飞片特性的影响，利用百焦耳Kr F准分子激光产生速度约为10km／s的高速飞片。

1 实验方案

实验在中国原子能科学院准分子激光实验室“天关一号”装置上进行，激光参数为248nm／25ns／500μm，主放大器6束光输出能量约100J。利用诱导空间非相干技术（ISI）使光束不均匀性在0.8%以内，采用像传递及角多路（MOPA）技术经过预放大器与主放大器两级放大，6束激光叠加后像位面上焦斑不均匀性在1.6%左右。图2是焦斑的三维图形。靶上激光均匀性通过改变靶面与焦斑像位面的距离来实现。当靶在像位面上，激光不均匀性在2%以内；靶偏离像位3mm处，光斑不均匀性就会达到5%左右。激光不均匀性是通过计算焦斑平面线上的不均匀性因子得到的。

图2 激光焦斑三维图像Fig.2 Three-dimensional image of laser focus

采用两种方法对飞片性能进行诊断：一种是利用侧向阴影照相［14-15］方法，根据测量的飞片运行轨迹拟合得到飞片速度及加速度等参数；另一种是采用具有空间分辨的成像型速度干涉仪［16-17］进行测量，根据多普勒频移引起条纹跃变间断面的平整度得到冲击波平面性、飞片的平面性与完整性，由条纹移动后持续时间推得飞片维持时间与飞行距离。此外，通过挡溅射片上沉积靶碎片尺寸也可对飞片完整性作定性判断。

2 实验结果与分析

2.1 激光均匀性对产生飞片的影响

图3是利用激光速度干涉仪对激光驱动进行诊断的实验原理图，挡溅射片一方面用于保护干涉仪成像镜免受靶碎片破坏，另一方面可以对产生的飞片飞行一定距离后的性状作定性了解。为了减少对成像质量的影响，挡溅射片紧贴成像系统镜片，距靶约120mm。由于挡溅射片距靶太远，飞片到达此处时早已解体，从靶碎片情况只能对飞片性状作定性判断。

图3 激光驱动飞片实验原理图Fig.3 Principle sketch of laser driving flyer

靶面激光不均匀性为5%时，得到的图4和5分别为干涉图像和挡溅射片上飞片碎片情况。由图4可以看到，干涉图像在条纹移动后完全消失，这是由于激光驱动的冲击波均匀性差，存在较强的不稳定性种子源，冲击波传输过程中流体力学不稳定性（RTI）进一步增强，冲击波到达飞片靶自由面（甚至飞片内部）时就促使飞片解体甚至气化，无法反射干涉仪探针光，造成干涉条纹跳变后消失。挡溅射片上靶碎片呈粉末状分布也说明飞片在流体力学不稳定性因子作用下部分已经气化，证实飞片解体很严重，靶内存在很强的流体力学不稳定性。

图6和7是靶在像位上（激光不均匀性小于2%）的实验结果。图6是条纹相机第6档（全量程50ns）测量的干涉图像，干涉图像很完整，飞片飞行约20ns后方解体（飞行约150μm）；图7是挡溅射片上解体碎片颗粒分布情况，颗粒较大，没有出现粉末状靶碎片。说明激光驱动的冲击波均匀性好，靶内存在的流体力学不稳定性作用弱，冲击波传输到靶背时还不至于撕裂靶片，可以产生完整的飞片。干涉条纹的间断面不平整度很小，约63ps，说明激光驱动的冲击波平面性与飞片平面性都很好。

图4 激光驱动平面靶的干涉条纹Fig.4 Interference fringes of flat target driven by laser

图5 挡溅射片上的靶碎片Fig.5 Target debris on sputtering film

图6 激光驱动平面靶干涉条纹Fig.6 Interference fringes of flat target driven by laser

图7 挡溅射片上的靶碎片Fig.7 Target debris on sputtering film

以上2个实验说明激光能量均匀分布是产生平面性良好冲击波的前提，高均匀平面冲击波才能驱动产生具有很好完整性与平面性的飞片。

2.2 激光驱动高速飞片

从状态方程研究的角度出发，希望激光驱动产生的冲击波在靶内能稳定输运，尽量不对靶产生加热等其它作用。一般应使激光参数与烧蚀层参数匹配，只在靶内产生一稳定平面冲击波。但为了获得尽可能高的飞片速度，可以不考虑激光与烧蚀层参数匹配问题，冲击波在靶内可能要对飞片靶作几次加速。

采用如图1所示的靶结构，实验用靶为5μm铝飞片，飞片前是作为烧蚀层的50μm Kapton膜。采用侧向阴影照相法对飞片运行轨迹进行测量。

图8是采用侧向阴影照相得到的能量为50J激光驱动产生飞片的轨迹图像与拟合曲线，拟合结果表明飞片运行轨迹近似为线性，飞片速度为5.58km／s。在约60ns时间内，飞片近似匀速运动，没有观测到明显的加速过程。在此激光强度下，激光与烧蚀层作用形成冲击波，当冲击波到达飞片背表面后粒子速度跳变为自由面速度，速度上升很迅速，以至于条纹相机100ns档无法分辨其初始阶段的加速过程，此后飞片以近似匀速状态飞行，说明冲击波在对飞片驱动过程中只有一次加速作用。

图8 50J能量下铝飞片轨迹图像及拟合曲线Fig.8 Aluminum flyer track image and curve fitting under 50J laser

图9是能量为100J激光辐照相同靶参数的铝飞片的运行轨迹，飞片轨迹持续约30ns，飞行轨迹不再是近似直线，出现了明显的加速过程。轨迹是飞片速度对时间的积分，图像取点是离散的数据样本，直接对轨迹轮廓线进行拟合，然后对轮廓线求微分得到速度曲线。

图10所示为100J能量下拟合的飞片飞行轨迹，速度、加速度曲线。拟合处理中取飞片启动时刻为时间0点，分3种情况拟合飞片的速度：（1）对飞片运行24ns后的轨迹进行线性拟合，此时激光驱动冲击波对飞片加速的过程接近尾声，飞片近似作匀速直线运动，所以对飞行轨迹后部数据作1次线性拟合；（2）忽略冲击波成长的非线性与稀疏波稀疏近匀速过程，假定飞片在稳定的烧蚀压作用下做匀加速运动，对飞片轨迹进行2次拟合；（3）认为飞片运动是变加速的（类似NIKE的处理方法），对飞片轨迹进行4次拟合。

将运动轨迹后期当作匀速运动来处理，从24.6ns开始进行拟合，其1次线性拟合的速度为9.87km／s，拟合曲线如图10（a）所示；对于匀加速运动，其飞行轨迹为2次曲线，拟合得到飞片初始速度为4.77km／s，加速度为0.23×109km／s2，速度线性增加；对于变加速的加速运动，拟合得到其初始速度为1.00km／s，速度拟合曲线如图10（c）所示，加速度呈逐渐减小的趋势，变加速运动中，其加速度在22ns附近逐渐降低为0，说明冲击波对飞片加速结束。在21.3ns时刻，匀加速运动与变加速运动的速度曲线相交，此刻对应的速度为9.71km／s，与1次线性拟合的速度接近，飞片近似作匀速运动。

图9 100J能量下铝飞片阴影图像Fig.9 Aluminum flyer shadow image under 100J laser

图10 飞片轨迹与速度拟合曲线Fig.10 Flyer trajectory，velocity and acceleration curve fitting

图11 利用Hyades模拟的飞片速度曲线Fig.11 Curves of flyer velocity simulated using Hyades code

图11是利用Hyades程序模拟飞片速度演化的结果。图11（a）使用的参数与实验相同，从图中明显可看出激光驱动的冲击波对飞片作多次加速，最终速度为10 km／s，与实验结果吻合得很好。图11（b）是其它参数都不变，烧蚀层厚度减小到30μm的情况，模拟得到的飞片速度可达16.5km／s，冲击波对飞片也作多次加速，模拟结果有待实验验证。

3 结论与展望

实验研究了Kr F准分子激光的空间均匀性对飞片产生及其完整性的影响，结果表明，在激光强度为1012W／cm2条件下，利用Kr F准分子激光直接驱动带烧蚀层飞片靶，当激光不均匀性在2%以内，可以驱动平面性很好的高速飞片，飞片能够飞行约150μm以上；当激光不均匀性达到5%左右，由激光不均匀性引入的不稳定性种子强，冲击波向靶内输运过程中流体力学不稳定性发展到足以使飞片解体甚至使飞片气化，不能产生完整飞片。说明冲击波平面性强烈地依赖于激光束空间均匀性，冲击波平面性又决定飞片的平面性与完整性。高均匀性激光是直接驱动高速飞片的前提。

采用Kr F准分子激光作为直接驱动高速飞片驱动器，在于其具有短波长、宽频带特性。短波长对应于高吸收效率，可以加速飞片到更高速度；光束均匀性好可以有效抑制不稳定性产生，有利于产生平面性好的完整飞片。利用百焦耳Kr F准分子激光把带有50μm烧蚀层的5μm铝飞片加速到约10km／s，与模拟结果一致。根据HYADES的模拟结果，烧蚀层厚度减小到30μm时，有望得到16.5km／s的超高速飞片，该结果有待实验检验；但烧蚀层太薄，后向喷射靶碎片可能会污染激光聚焦系统元件，也有待实验验证。

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Research on the driving characteristics of high speed flyer using Kr F laser

Li Yejun，Wang Zhao，Tian Baoxian，Liang Jin，Han Maolan，Lu Ze，Tang Xiuzhang
（China institute of atomic energy，Beijing 102413，China）

Kr F excimer laser（248nm）has high spatial uniformity by using induced spatial incoherence technology.After image relay and amplification by optical angular multiplexing technology，non-uniformity of image surface of focal spot is 1.6%.The spot spatial uniformity decreases with increasing distance of deviating image surface，the spatial non-uniformity is up to 5%at 3mm place deviating image surface.Laser directly drives planar target with ablation layer，the effects of laser spatial uniformity on flyer planarity and integrity were investigated.The results show when the non-uniformity of laser is below 2%，the integrity of inference fringes measured by laser velocity interferometer system for reflector keeps very well，the inference fringes last about 20ns after fringes jump.And the flyer can fly about 150 microns.The roughness of discontinuity is 62ps，which indicates that the shock wave planarity is good.The target debris deposited on sputtering film from the target of about 120mm is larger particles，which confirms the flyer has better integrity.When the laser non-uniformity is 5%，the interference fringes disappear completely after fringes jump，and the target debris deposited on sputtering film becomes powder，which indicates the shock wave planarity is very poor under this laser condition.The experimental results show hydrodynamic instability seed is weak at good condition of the uniformity of laser，the development of shock waves is not strong enough to make the flyer disintegration when shock waves transfer from the front surface to rear of larget.When the laser nonuniformity is about 5%，hydrodynamic instability seed driven by laser is very strong.When the shock wave transferred to the target back，hydrodynamic instability develops strong enough to make the flyer disintegration even gasification，which leads to the disappearance of interference fringes.So shock planarity driven by laser is strongly dependent on the laser beam spatial uniformity，and the planarity and integrity of flyers depend on the shock planarity.According to the simulation results using one dimensional HYADES program，the ablation layer thickness should be reduced in order to improve the velocity of flyer.At the condition of thinner ablation layer，laser and ablation parameters do not match，shock waves driven by laser can accelerate the flyer multi-times.Kr F laser with power density of about 1012W／cm2drove flat target of 5μm aluminum with50μm Kapton ablation.Flyer trajectory was obtained using side-on shadowgraph.The curves of flyer velocity and acceleration were obtained by fitting the trajectory curve.Acceleration reaches 0.23×109km／s2，the velocity of flyer is about 9.8km／s.And the HYADES simulation shows there are 4 acceleration processes，the flyer velocity is about 10km／s.The results of experiment and simulation agreed very well.At the same conditions，simulations also show when the ablation thickness decreases to 30μm，the flyer velocity can be up to 16.5km／s.Target debris from backward jet maybe pollutes the laser focusing system components for too thin ablation.These all need to be verified by experiments.

Kr F excimer laser pulse；high-speed flyer；shock wave plane character；velocity interferometer system for any reflector；side-on shadowgraph

O532＋.25

：A

1672-9897（2014）03-0104-06doi：10.11729／syltlx2014pz26

（编辑：杨 娟）

2013-06-09；

：2013-12-25

LiYJ，WangZ，TianBX，etal.ResearchonthedrivingcharacteristicsofhighspeedflyerusingKrFlaser.JournalofExperimentsin FluidMechanics，2014，28（3）：104-109.李业军，王 钊，田宝贤，等.KrF激光对高速飞片的驱动特性研究.实验流体力学，2014，28（3）：104-109.

李业军（1969-），男，江苏宿迁人，研究员。研究方向：激光等离子体物理。通信地址：北京275-7信箱（102413）。E-mail：liyj＠ciae.ac.cn