Krf激光照射约束层靶驱动产生高速飞片研究

殷 倩，汤秀章，李业军，王 钊，田宝贤，张品亮



Krf激光照射约束层靶驱动产生高速飞片研究

殷 倩，汤秀章，李业军，王 钊，田宝贤，张品亮

（中国原子能科学研究院 核技术应用研究所，北京 102413）

微小空间碎片的超高速撞击对航天器性能有重要影响。为了研究撞击损伤机制，在“天光一号”装置上开展了KrF准分子激光照射约束层靶产生高速飞片的实验研究，利用成像速度干涉仪（Imaging-VISAR）对飞片自由面速度进行诊断。采用1.9J准分子激光将10μm的Al飞片加速至12km/s，且整个过程为准等熵加载。研究结果表明准等熵加载下激光能量转化为飞片动能的效率（达39.4%）比冲击加载要高得多，飞片速度也高于后者。

KrF准分子激光；空间碎片模拟；约束层靶；高速飞片；能量转化效率；试验研究

0 引言

在空间碎片高速撞击效应的实验室模拟研究中，相较于众多的飞片驱动技术，激光驱动飞片技术具有结构简单、发射成本低的优点，既可以模拟单次超高速撞击效应，又可以模拟连续累积撞击效应，因此近年来在航天领域受到广泛重视[1-4]。此外，由于该技术还在动高压加载上具有优势，使得其在高能量密度物理、状态方程、材料物理、炸药的快速起爆和微成型等很多研究领域也有广泛应用[5-9]。

激光驱动高速飞片通常有两种方式：激光直接照射飞片靶和激光照射带有约束层的飞片靶。前者是将高功率的激光作用于飞片靶，使靶材因吸收

激光能量而升华并电离形成高温高压等离子体；等离子体膨胀而对飞片靶产生剪切力作用，被剪切而分离的飞片在冲击波的作用下实现高速飞行。日本大阪大学的Okada等人[10]曾利用1031J的KrF激光直接将金属飞片驱动到23km/s的速度；中国原子能科学研究院的田宝贤等人[11]利用百J级KrF激光直接驱动铝飞片靶，也得到了约10km/s的速度。直接照射飞片靶的方式需要足够大的驱动能量，而大型激光发射装置成本较高，不利于空间碎片累积撞击效应的研究。相比之下，对于激光照射带有约束层的飞片靶发射技术[12-14]，由于约束层的存在，可实现等离子体单向膨胀，并且压力波脉宽

可展宽7倍，如此一来能量耦合效率可提高2个数量级，因此只需百mJ的激光能量就可以获得几km/s的飞片速度。尽管受到约束层损伤阈值的限制，激光能量不能太高，很难得到10km/s以上的速度[2]，但约束层飞片靶发射技术所得到飞片的平面性与完整性较好。由于空间碎片的速度多在

10km/s以上，最高可达15km/s，一些微流星体的速度为72km/s，故约束层飞片靶发射技术从速度上很难满足碎片研究的需要，使得如何提高约束层飞片靶发射技术的飞片速度成为重要的研究课题。

激光驱动飞片通常采用激光脉冲冲击加载方式，它的缺点是能量耦合效率不高，飞片的完整性不够好。为了获得更高速度的飞片，我们尝试采用长脉冲的KrF准分子激光驱动约束层靶，这种方式具有波长短（248nm）、脉宽长（28ns）、光束均匀性好等优点，有利于获得高速高质量的飞片。

1 试验设置

激光照射约束层飞片靶的驱动试验原理如图1所示。其中KrF激光是由中国原子能科学研究院的“天光一号”激光辐照系统[15]提供，波长为248nm，激光输出的平顶焦斑尺寸为500μm，输出能量在百J量级。该激光系统利用诱导空间非相干（ISI） 的光束平滑技术，种子光经像传递及角多路（Master Oscillator Power Amplifier）光学系统传输到预放大器和主放大器实现两级放大，6束激光聚焦到靶的光斑不均匀度优于2%。良好的激光空间均匀性利于得到完整飞片。试验用的约束层靶制备是在4mm厚石英晶体材料的基底上采用磁控溅射方法涂镀10μm厚的Al膜。

试验中，激光透过石英晶体直接辐照到Al膜表面，并作用于Al膜而产生飞片。驱动激光的脉冲波形如图2所示。为了具有一定平顶的类高斯分布，要求上升沿较长，达18ns。

飞片速度利用配有条纹相机的成像速度干涉仪Imaging-VISAR[16]进行测量，其测量基本原理是：探测光照射在运动表面并反射时，产生基于多普勒频移所引起的干涉条纹移动数，根据条纹移动数可确定速度大小。，其中()和0分别为时刻速度和初始速度；为干涉仪两臂的光程差；是由于光的频率变化引起的修正项，以上均为已知量，故根据条纹移动数()即能够实时准确反映自由面运动速度随时间的变化关系。试验中，条纹相机工作在7档，时间分辨率为123.1ps/pixel，全屏幕时间为100ns；干涉仪标准具是厚度为20mm的石英，条纹常数为2.5km/s。

图1 激光驱动飞片试验原理示意图

图2 激光脉冲时间波形

2 试验结果与分析

激光驱动约束层靶所得干涉条纹如图3所示，其中激光能量为1.9J（功率密度约为3.5×

1010W/cm2）；靶的参数为4mm石英约束层，10μm的Al膜；干涉条纹共移动了约4.8个条纹数，最终求得自由面速度约为12km/s。图4是根据图3所示的干涉条纹得到的飞片自由面速度变化曲线；图5所示结果是通过拉格朗日方程，由飞片靶自由面速度计算得到相邻点应力加载历史并向内部空间推进，最终反演得到前表面压力加载历史。

图3 激光驱动飞片的干涉条纹

图4 飞片自由面速度曲线

图5 前表面压力加载曲线

由图4可见，自由面速度是增加的，最终趋于一个稳定速度。图5说明激光加载过程中飞片前表面压力并不是一直处于上升状态，也出现压力下降：由于压缩波输运到飞片自由面处发生卸载作用，反射的稀疏波传输到飞片前表面处造成加载压力下降，稀疏波结束后前表面压力又开始上升，待压缩波输运到自由面后又会反射回稀疏波，造成前表面压力再次下降；在激光脉冲期间经过多次压缩波与稀疏波的共同作用，将飞片加载到一个较高的速度；最后当飞片内压力趋于零时，自由面速度就是飞片速度。所以在整个激光脉冲加载过程中都没有出现压力跃变，干涉条纹是连续的，即激光加载是准等熵过程。

由1.9J激光通过准等熵加载将直径700μm、厚度10μm的Al飞片加速到12km/s。根据飞片质量和速度，可计算得到飞片动能为0.75J，则激光能量转化为飞片动能的效率为39.5%。

3 与冲击加载方式的对比分析

为了将准等熵加载结果与激光脉冲冲击加载方式进行对比，我们根据试验条件，通过冲量定理计算了冲击加载下可能所得的最终飞片速度，具体计算参考文献[17]的理论模型。在激光脉冲作用期间，激光对飞片靶的冲量是激光对靶材的各种压力的时间累积效应：主要有光压引起的冲量、喷射物质造成的反冲冲量和等离子体诱导的冲击波对靶的冲量等。在我们的试验强度条件下，前两种影响很小可以忽略，主要考虑等离子体诱导的冲击波对靶的冲量。

假定激光为矩形脉冲；在激光作用期间，冲击波压力维持不变，近似视为一维处理。石英作为约束层[18]，冲击波压力s同作用在飞片表面的激光功率密度成正比。激光脉冲作用结束后，冲击波在横向和纵向都发生衰减，应视为二维流场进行计

算[17]。设激光脉宽为P，定义冲击波二维运动的特征时间为2D，即波前扩张到光斑直径距离时所需时间。

式中：s是激光光斑直径；L是波的传播速度。由于P≥2D，故可将冲击波作用过程分为两个阶段： 当0≤≤2D时，冲击波压力不变，飞片所受压力不变，计算得到此阶段的冲量为1；当＞2D时，必须考虑等离子体和冲击波的二维扩散效应，这时波呈球面衰减，计算得到此阶段的冲量为2，且有

忽略激光对飞片靶表面烧蚀造成的质量损失，对于尺寸为10μm×700μm的飞片，其质量为1.04× 10-5g；在激光功率密度为3.5×1010W/cm2、飞片所处环境压力为10Pa的条件下，1.9J的KrF激光通过冲击加载可将Al飞片加速至7km/s，对应的激光能量转化为飞片动能的效率为13.4%。

文献[19-20]利用小型脉冲YAG激光器（波长1064nm）在能量300～700mJ的范围内将带有约束层的10μm厚的Al飞片（其直径0.5～0.8mm）经冲击加载方式加速到3.1km/s，其能量转化效率为2.6%～9.0%。而通过准等熵加载得到的速度为12km/s，对应的激光能量转换为飞片动能的效率为39.5%，无论在速度还是能量转换效率上均优于冲击加载方式。究其原因主要是由于KrF激光脉冲前沿较长（18ns）、脉冲宽度较宽（28ns），使得靶上激光功率密度上升缓慢，压缩波加载速率较低，有效避免了冲击加载方式中温度剧烈升高而使吸收的激光能量大部分转化为飞片内能。也就是说，准等

熵加载方式温升很小，吸收的激光能量主要都转化为飞片的动能；此外KrF激光波长短，激光吸收效率也比长波长的要高。因此，利用KrF激光通过准等熵加载方式驱动约束层靶能够获得较高速度的飞片。

4 结束语

采用“天光一号”激光装置输出的KrF准分子激光驱动10μm厚带有约束层的飞片靶，获得了速度为12km/s的高速飞片。由于KrF准分子激光具有高均匀性、短波长、长脉冲前沿、大脉宽等特点，使得加载过程是准等熵的，激光能量转化为飞片动能的效率可达到39.5%，比冲击加载方式的转换效率要高得多。因此，利用KrF驱动约束层靶产生超高速飞片是一种较好的技术途径，可用于微小空间碎片对航天器的高速撞击效应研究。

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（编辑：肖福根）

High-speed flyers driven by KrF laser irradiatied flyer-targets with substrate

Yin Qian, Tang Xiuzhang, Li Yejun, Wang Zhao, Tian Baoxian, Zhang Pinliang

(Department of Nuclear Technology Application, China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413, China)

The effects of the micro-space debris hypervelocity impact on the properties of spacecraft are significant. In order to study the mechanism of the impact damage, this paper studies experimentally the launching high speed flyer by using HEAVEV-I KrF excimer laser irradiating flyer targets with substrate，and the velocity of the flyer is diagnosed by Imaging-VISAR. The experimental results show that the velocity of the flyer of 10μm thickness is up to 12km/s driven by 1.9J KrF excimer laser. The efficiency of the laser energy translated to the kinetic energy of the flyer can be up to 39.4%. And the process of loading is quasi-isentropic. The experiments indicate that the efficiency of the laser energy translation into the kinetic energy of the flyer of quasi-isentropic loading is much higher than the shocking load.

KrF excimer laser; space debris simulation; target with substrate; high-speed flyer; energy conversion efficiency; experimental study

V524.3

A

1673-1379(2016)03-0300-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.03.012

殷 倩（1990—），女，硕士研究生，专业方向为等离子体物理研究；E-mail: yinqianqiana@163.com。指导教师：汤秀章（1966—），男，研究员，博士生导师，从事激光及其与物质相互作用的研究。

2015-12-31；

2016-04-27

国家自然科学青年基金项目（编号：11505299）

http://www.bisee.ac.cn E-mail: htqhjgc@126.com Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544