CN102581483B - 一种激光驱动非金属飞片的方法及实现装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光驱动非金属飞片的方法，将激光器产生一束激光入射到沉积在一光学玻璃上的烧蚀层，使烧蚀层材料瞬间蒸发、气化和电离，产生高温高压的等离子体，由于受光学玻璃的约束，等离子体产生的高压冲击波作用在烧蚀层另一面上、且位于入射区前面的一非金属薄膜上，从而将剩余的非金属薄膜剪切，并将其以高速驱动，从而形成超高速飞片。本发明可以弥补当前激光驱动飞片只能发射金属粒子的缺陷，实现了非金属粒子发射。在空间科学中采用激光驱动飞片方式模拟空间碎片环境时，通过交替使用飞片材料种类而达到高效模拟碎片环境的目的。也可以应用在高压物理学、空间科学、材料微成形技术和炸药快速起爆等领域。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体驱动加速技术领域，尤其涉及一种激光驱动非金属飞片的方法。
背景技术
自从激光器诞生起，人们就开展了激光与材料相互作用的广泛研究。20世纪90年代初，人类首次提出了激光驱动的概念，即利用激光推动物体高速飞行。随后，激光驱动飞片技术也逐渐被发现。
激光驱动飞片是一种动高压加载技术，其物理基础是强激光辐照引起靶材的气化和烧蚀。20世纪80年代D.L.Paisley首次低能量激光脉冲实现对铝和铜的驱动，是激光驱动飞片的先驱；1990年，W.M.Trott突破以往大气传输的局限使用光纤传输方式驱动铝膜；2001年，D.L.Paisley等利用美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的大能量激光脉冲驱动了如铝、铜、金及钢等金属，扩大了驱动的飞片种类；日本无机材料研究所的贺宏亮博士利用调Q Nd:YAG激光器驱动10μm厚的铝膜，获得高达13kmps的速度。国内，孙承纬、谷卓伟等人利用小型脉冲激光器驱动铝膜开展了一系列实验。
激光驱动飞片技术具有成本低、装置简易等优良特点，所以有广泛的应用前景。利用激光驱动高速飞片冲击引爆炸药等可应用于武器安全起爆系统；利用激光驱动飞片技术开展实验室模拟太空高速微粒进而研究空间飞行器防护结构等。
然而，目前激光驱动飞片技术只局限于驱动金属飞片，其应用于空间碎片地面模拟不足以等效于真实的空间碎片环境。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种激光驱动非金属飞片的方法及其实现装置，弥补了当前激光驱动飞片只能发射金属粒子的缺陷，实现了非金属粒子发射。本发明激光驱动非金属飞片的方法是在现有激光驱动技术基础上产生的，适用于目前已开展激光驱动飞片技术各个领域。
为了解决上述技术问题，本发明一种激光驱动非金属飞片的方法予以实现的技术方案是：将激光器产生一束激光入射到沉积在一光学玻璃上的烧蚀层，使烧蚀层材料瞬间蒸发、气化和电离，产生高温高压的等离子体，由于受光学玻璃的约束，等离子体产生的高压冲击波作用在烧蚀层另一面上、且位于入射区前面的一非金属薄膜上，从而将剩余的非金属薄膜剪切，并将其以高速驱动，从而形成超高速飞片。
利用上述激光驱动非金属飞片的方法实现激光驱动非金属飞片的装置是，采用脉冲宽度为纳秒和皮秒量级的激光器作为发光源，该激光器发射的激光先经过一聚光镜形成一束光，在一束光的投射方向上放置有一光学玻璃，该光学玻璃的背面依次设有烧蚀层和非金属薄膜，所述烧蚀层由反射率小于10％的物质构成。
进一步讲，上述激光驱动非金属飞片的装置，其中，所述烧蚀层的材料为Al、炭黑、Ha、Ti和Ge。
所述烧蚀层的厚度m为：其中，A：烧蚀层材料的原子量；Z：等离子体的平均电离电荷；I：入射激光能量密度，单位为W/cm2；λ：入射光波长，单位为nm；τ：激光脉宽，单位为ns。所述非金属薄膜厚度d为：d＞Vcβτ；其中，Vc：冲击波在基底材料中的传播速度，单位为m/s；τ：激光脉宽，单位为ns；β为常数，取4～6。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的激光驱动非金属飞片的方法弥补了当前激光驱动飞片只能发射金属粒子的缺陷，实现了非金属粒子发射，可以应用在高压物理学、空间科学、材料微成形技术和炸药快速起爆等领域。如在空间科学中采用激光驱动飞片方式模拟空间碎片环境时，通过交替使用飞片材料而达到等效碎片环境的目的。
附图说明
图1本发明一种激光驱动非金属飞片的方法的光路原理图；
图2是本发明中复合飞片靶4的结构示意图；
图3是运用本发明方法后，撞击靶材损伤形貌；
图4是撞击靶材损伤部位元素分布曲线图。
图中：
1-激光器，2-两互相垂直的反射镜，3-聚光镜，4-复合飞片靶，41-光学玻璃，42-烧蚀层，43-非金属薄膜，5-撞击靶。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
如图2所示，本发明一种激光驱动非金属飞片的方法，将激光器1产生一束激光入射到沉积在一光学玻璃41上的烧蚀层42，使烧蚀层42的材料瞬间蒸发、气化和电离，产生高温高压的等离子体，由于受光学玻璃42的约束，等离子体产生的高压冲击波作用在烧蚀层42另一面上、且位于入射区前面的一非金属薄膜43上，从而将剩余的非金属薄膜43剪切，并将其以高速驱动，从而形成超高速飞片。
利用上述激光驱动非金属飞片的方法实现激光驱动非金属飞片的装置是，如图2所示，采用脉冲宽度为纳秒和皮秒量级的激光器1作为发光源，该激光器1发射的激光先经过一聚光镜2形成一束光，在束光的投射方向上放置有一光学玻璃41，一般选择石英玻璃或K9玻璃等，该光学玻璃41的背面依次设有烧蚀层42和非金属膜43，所述烧蚀层42由反射率小于10％的物质构成，诸如可以是Al、炭黑、Ha、Ti或Ge等反射率低的物质。实际上，光学玻璃41、烧蚀层42和非金属薄膜43构成了复合飞片靶4，如图1所示。
烧蚀层42的设计需合理，从而使得入射激光对非金属薄膜不产生烧蚀，烧蚀层42厚度m设计满足以下方程：
其中，A：烧蚀层材料的原子量；Z：等离子体的平均电离电荷；I：入射激光能量密度，单位为W/cm2；λ：入射光波长，单位为nm；τ：激光脉宽，单位为ns。
另外，所述非金属薄膜43的厚度d取决于激光烧蚀深度，与非金属薄膜的材料种类和激光参数密切相关：d＞Vcβτ；其中，Vc：冲击波在基底材料中的传播速度，单位为m/s；τ：激光脉宽，单位为ns；β为常数，取4～6。
以下通过实验例讲述本发明的详细过程，提供实验例是为了理解的方便，绝不是限制本发明。另外，实验所用的装置以本发明装置为基础，在由光学玻璃41、烧蚀层42和非金属薄膜43构成的复合飞片靶4的后面放置一撞击靶5，以便对飞片影响作进一步分析，本发明中的撞击靶5采用热控涂层。基于实验室的空间条件所限，可以利用两互相垂直的反射镜2达到缩短光路的目的。
实验例一：
制备复合飞片靶4：
首先，制备二氧化硅溶胶。以正硅酸乙酯(TEOS)和γ-(甲基丙酸酰氧)丙基三甲氧基硅烷(MEMO)为前驱体，无水乙醇(EtOH)为溶剂，盐酸(HCl)为催化剂，N，N-二甲基甲酰胺为成膜促进剂(DCCA)。将TEOS、MEMO和EtOH混合均匀，5min后将H2O和HCl的混合液慢慢滴入，同时加入适量的DCCA，最终溶液中个组分的摩尔比TEOS/MEMO/EtOH/H2O/HCl为1/(0-1.0)/16/6/0.03。加完后在室温下充分搅拌40min后可得到二氧化硅溶胶，将所得溶胶密封自然陈化24h后即可进行镀膜。其次，将直径40mm、厚3mm的石英玻璃先后用去离子水和无水乙醇超声清洗10min，去除材料表面残留有机污染物，清洗干净后在空气中自然干燥；在干净的石英玻璃(即光学玻璃41)表面用浸渍提拉法沉积碳素墨水，置于干燥箱中干燥，如此反复几次，石英玻璃表面即得薄薄的碳层(即烧蚀层42)，碳膜厚度通过增重法估算得到；然后使用浸渍提拉机实现石英玻璃表面镀二氧化硅膜，自行设置提拉速度，一次提拉后将石英玻璃放置于真空箱中干燥，10min后进行第二次镀膜。经两次镀膜后石英玻璃表面的二氧化硅薄膜(即非金属薄膜43)厚约为6μm。
撞击靶4采用热控涂层或按照以下工艺制备：
将适当尺寸的kapton薄膜先后用去离子水和无水乙醇超声清洗10min，去除材料表面残留的有机污染物，清洗干净后放置于高温干燥箱中进行干燥。Kapton薄膜由均苯型四甲酸二酐和4，4‘-二胺基二苯醚在极性溶剂N，N’-二甲基乙酰中合成，具有优良的化学稳定性、耐高温性、坚韧性、耐磨性、阻燃性和电绝缘性等。
使用纳秒脉冲激光器，脉冲激光入射在沉积有碳层和二氧化硅薄膜层的石英玻璃上，玻璃表面过渡碳层发生烧蚀而后在瞬间蒸发、气化电离而形成等离子体，等离子体使得部分二氧化硅薄膜破裂并被高速驱动撞击在kapton材料上造成损伤。非金属飞片撞击撞击靶表面后在其上形成弹坑，在坑周围一定范围造成碎裂及形变，形成复杂的撞击形貌。试验后通常使用光学显微镜观测撞击靶的损伤形貌、使用扫描电镜观察撞击坑的微观形貌并打能谱验证撞击靶材上喷溅物是非金属材质。实验选择激光能量320mJ、触发方式为单次触发、激光器脉宽6ns。脉冲激光触发后，使用扫描电镜对撞击靶材kapton薄膜损伤处进行测量并对损伤处的喷溅物通过能谱进行元素类型确定，如图3和图4所示。由测试结果得出：激光驱动非金属二氧化硅薄膜对kapton薄膜造成了一定的撞伤，元素分析撞击损伤处存在二氧化硅。
实验例二：
本实验例二与实验例一的不同只在于，实验选择激光能量300mJ、触发频率1Hz、激光器脉宽6ns。
实验例三：
本实验例三与实验例一的不同只在于，选用钛板作为撞击靶，脉冲激光入射在石英玻璃/碳层/二氧化硅薄膜层上，石英玻璃表面过渡碳层发生烧蚀而后在瞬间蒸发、气化电离而形成等离子体，等离子体使得二氧化硅薄膜破裂并被高速驱动撞击在钛板上形成损伤。实验选择激光能量360mJ、触发方式为单次触发、激光器脉宽6ns。
实验例四：
本实验例四与实验例三的不同只在于，实验选择激光能量250mJ、触发频率1Hz、激光器脉宽6ns。
尽管上面结合图对本发明进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方法，本文所述实施案例仅仅是示意性的，并没有完全限制。本实验人员将Al作为过渡层，TiO2作为飞片层对撞击靶材进行实验也取得了很好的结果。本领域的技术人员在本发明启示下，在不脱离本发明宗旨的前提下做出的各种替换、变化和修改等如激光驱动其他类型的非金属薄膜、激光驱动非金属薄膜作用于其他撞击靶材等，均属于本发明保护范围。
Claims (3)
1.一种实现激光驱动非金属飞片的方法的装置，其中，激光驱动非金属飞片的方法是：将激光器产生一束激光入射到沉积在一光学玻璃上的烧蚀层，使烧蚀层材料瞬间蒸发、气化和电离，产生高温高压的等离子体，由于受光学玻璃的约束，等离子体产生的高压冲击波作用在烧蚀层另一面上、且位于入射区前面的一非金属薄膜上，从而将剩余的非金属薄膜剪切，并将其以高速驱动，从而形成超高速飞片；实现上述激光驱动非金属飞片的方法的装置是：采用脉冲宽度为纳秒和皮秒量级的激光器作为发光源，该激光器发射的激光先经过一聚光镜形成一束光，在一束光的投射方向上放置有一光学玻璃，该光学玻璃的背面依次设有烧蚀层和非金属薄膜，所述烧蚀层由反射率小于10％的物质构成，其特征在于：
所述烧蚀层的厚度m为：
其中，A：烧蚀层材料的原子量；
Z：等离子体的平均电离电荷；
I：入射激光能量密度，单位为W/cm2；
λ：入射光波长，单位为nm；
τ：激光脉宽，单位为ns。
2.根据权利要求1所述的实现激光驱动非金属飞片的方法的装置，其特征在于，所述烧蚀层的材料为Al、炭黑、Ha、Ti或Ge中的一种。
3.根据权利要求1所述的实现激光驱动非金属飞片的方法的装置，其特征在于，所述非金属薄膜厚度d为：d＞Vcβτ；
其中，Vc：冲击波在基底材料中的传播速度，单位为m/s；τ：激光脉宽，单位为ns；β为常数，取4～6。
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