CN106378534A - 一种激光驱动形成近球状飞片的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光驱动形成近球状飞片的方法，首先制备出一种用于激光驱动的飞片靶，所述飞靶片上布置有多个一端具有半球冠的圆柱状凸起，所述半球冠与圆柱的直径相同；采用激光驱动飞片时，激光束经聚焦镜聚焦后在所述飞片靶上所形成的激光光斑分别与所述飞片靶上圆柱状凸起的横截面形状一一相对应，激光束自飞片靶的圆柱状凸起一端、且沿圆柱的轴向入射到飞片靶，经激光烧蚀驱动，最终将飞片靶上的一端具有半球冠的圆柱状凸起激光烧蚀成为一个近球状的飞片粒子。本发明工艺简单，实验周期短，实施费用低且无污染，是一种利用激光驱动飞片技术驱动近球状粒子的理论方法，具有巨大的研究意义及参考价值。

Description

一种激光驱动形成近球状飞片的方法
技术领域
本发明涉及激光驱动技术领域，特别是一种利用激光驱动近球形飞片的方法。
背景技术
空间环境中存在大量的各种形状的碎片，但是主要有球状、柱状和片状。其中球状和柱状的碎片撞击对材料的损伤最大。现在模拟空间球状碎片的技术主要有二级轻气炮技术和电炮加速技术。二级轻气炮技术可以驱动直径范围在1-10nm之间球状和柱状粒子。但是每次驱动都会产生大量的粒子，速度分布范围广，不能研究单个粒子产生损伤效应。电炮加速技术主要用于驱动mm级非金属材质的高速单粒子弹丸，具有一定的局限性。
激光驱动飞片技术结构简单、发射成本较低、容易与其他环境因素一起组成综合环境模拟设备、没有化学污染和电磁干扰、容易使碎片与撞击损伤处形成一一对应关系、特别方便试验过程的参数测量和试验结构的分析评价等。激光驱动飞片技术以其充分的可行性和相对简易的操作性，逐渐发展成为地面模拟空间碎片环境的主要手段。
目前，激光驱动飞片技术只能驱动片状飞片，针对空间环境中还存在着大量的近球状碎片尚无法模拟。所以激光驱动飞片技术的地面模拟实验具有一定的局限性。
发明内容
本发明针对以上问题，通过飞片靶的改进和调节激光光斑的，从而得到一种近球状的飞片粒子。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种激光驱动形成近球状飞片的方法，首先制备出一种用于激光驱动的飞片靶，所述飞靶片上布置有多个一端具有半球冠的圆柱状凸起，所述半球冠与圆柱的直径相同；采用激光驱动飞片时，激光束经聚焦镜聚焦后在所述飞片靶上所形成的激光光斑分别与所述飞片靶上圆柱状凸起的横截面形状一一相对应，激光束自飞片靶的圆柱状凸起一端、且沿圆柱的轴向入射到飞片靶，经激光烧蚀驱动，最终将飞片靶上的一端具有半球冠的圆柱状凸起激光烧蚀成为一个近球状的飞片粒子。
上述激光驱动形成近球状飞片的方法中，所述飞片靶上的半球冠凸起的直径为D，D＝激光光斑直径，所述飞片靶上的圆柱部分的高度为h，m<h≤0.5D+m，m为烧蚀层消耗厚度。烧蚀层厚度有多种表达方法，经大量试验验证，所述烧蚀层厚度m的计算公式采用如下：
式(1)中，A为烧蚀层材料的原子量；Z为等离子体的平均电离电荷；I为入射激光能量密度，单位为W/cm2；λ为入射光波长，单位为nm；τ为激光脉宽，单位为ns。
激光器脉冲的频率为单次触发，脉宽为5-20ns。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明针对目前激光驱动飞片形状的单一性，通过飞片靶的改进和调节激光光斑，从而得到一种近球状的飞片粒子，可以更好地去模拟空间中多形态的粒子撞击。本发明工艺简单、方便实用且无污染，且对于激光驱动飞片技术有重大的意义。
附图说明
图1为本发明中飞片靶上具有半球冠的圆柱状凸起的分布示意图；
图2是图1中一个具有半球冠的圆柱状凸起的侧视图；
图3为飞片靶的烧蚀驱动中的形态示意图；
图4为激光驱动飞片烧蚀前后飞片形状变化过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
本发明提出的一种激光驱动形成近球状飞片的方法，主要是通过飞片靶的改进和调节激光光斑，从而得到一种近球状的飞片粒子。具体过程如下：
首先制备出一种用于激光驱动的飞片靶，如图1和图2所示，所述飞靶片上布置有多个一端具有半球冠的圆柱状凸起，所述半球冠与圆柱的直径相同；制备飞靶片可以选用机械加工、光刻、等离子刻蚀、镀膜生长等多种方法将飞片靶表面加工制备出具有半球冠的圆柱状凸起。
采用激光驱动飞片时，调节激光束的激光光斑分别与所述飞片靶上圆柱状凸起的横截面形状一一相对应，激光经聚焦镜聚焦后自飞片靶的圆柱状凸起一端、且沿圆柱的轴向入射到飞片靶，所述飞片靶上的半球冠凸起的直径为D，D＝激光光斑的直径，所述飞片靶上的圆柱部分(不含半球冠凸起部分)的高度为h，m<h≤0.5D+m，m为烧蚀层消耗厚度，所述烧蚀层厚度m的计算公式如下：
式(1)中，A为烧蚀层材料的原子量；Z为等离子体的平均电离电荷；I为入射激光能量密度，单位为W/cm2；λ为入射光波长，单位为nm；τ为激光脉宽，单位为ns。激光烧蚀驱动过程中，激光器脉冲的频率为单次触发，脉宽为5-20ns。
经激光烧蚀驱动后，最终将飞片靶上的一端具有半球冠的圆柱状凸起激光烧蚀成为一个近球状的飞片粒子。
实施例1：一种近球形飞片的形成，包括以下步骤：
(1)通过聚焦镜将激光束调制成直径为50μm的入射光斑。
(2)将50μm厚的铝箔片1作为飞片靶，采用光刻方法在铝箔片1上制备出多个一端具有半球冠21的圆柱状凸起，半球冠21的直径与圆柱22部分的直径相等均为D＝50um，如图1和图2所示。采用硅油将铝箔片粘附于石英玻璃基片上。
(3)调节激光束光斑与飞片靶(铝箔片1)上的圆柱状凸起相对应，并垂直入射(即沿圆柱22的轴向)，激光能量为500mJ，脉宽为15ns，单次触发。如图3所示，激光束透过石英玻璃，使铝箔材料瞬间蒸发、气化和电离，产生高温高压的等离子体3，随着激光入射，产生的高温将飞片靶(铝箔片1)的一部分熔化，形成固液界面4，以及未被熔化的固体飞片靶(圆柱22的剩余部分和半球冠21)。
(4)激光束5的入射过程中，由于受石英玻璃的约束，经激光烧蚀驱动后，飞片靶融化产生液相区，形成了固液界面4，等离子体产生的高压冲击波作用在烧蚀剩余的部分圆柱上，在表面张力和反射波的作用下，固液界面4收缩成近半球形，即将该圆柱部分溶化为近似的半球状23，最终与飞片靶前面原有的的半球冠21抱合形成一个近球状的飞片粒子，并从飞片靶上剪切出来，如图4的右边所示。
实施例2：一种近球形飞片的形成，包括以下步骤：
(1)通过聚焦镜将激光束调制成直径为100μm的入射光斑。
(2)将石英玻璃作为飞片靶1基片，采用模板磁控溅射方式在石英玻璃基片上生长出铝铂的半球冠21的圆柱状凸起，半球冠21的直径D＝100μm，圆柱22部分高为60μm。
(3)调节激光束光斑与飞片靶上的圆柱状凸起相对应，并垂直入射。激光能量为900mJ，脉宽为5ns，单次触发。激光束透过石英玻璃，使铝箔材料瞬间蒸发、气化和电离，产生高温高压的等离子体3，随着激光入射，产生的高温将飞片靶上的圆柱状凸起的一部分熔化，形成固液界面4，以及未被熔化的固体飞片靶(圆柱22的剩余部分和半球冠21)。
(4)同实施例1，最终形成一个近球形的飞片粒子，并从飞片靶上剪切出来。
本发明工艺简单，实验周期短，实施费用低且无污染，是一种利用激光驱动飞片技术驱动近球状粒子的理论方法，具有巨大的研究意义及参考价值。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种激光驱动形成近球状飞片的方法，其特征在于，首先制备出一种用于激光驱动的飞片靶，所述飞靶片上布置有多个一端具有半球冠的圆柱状凸起，半球冠与圆柱的直径相同；采用激光驱动飞片时，激光束经聚焦镜聚焦后在所述飞片靶上所形成的激光光斑分别与所述飞片靶上圆柱状凸起的横截面形状一一相对应，激光束自飞片靶的圆柱状凸起一端、且沿圆柱的轴向入射到飞片靶，经激光烧蚀驱动，最终将飞片靶上的一端具有半球冠的圆柱状凸起激光烧蚀成为一个近球状的飞片粒子。
2.根据权利要求1所述激光驱动形成近球状飞片的方法，其特征在于，所述飞片靶上的半球冠凸起的直径为D，D＝激光光斑的直径，所述飞片靶上的圆柱部分的高度为h，m<h≤0.5D+m，m为烧蚀层消耗厚度，所述烧蚀层厚度m的计算公式如下：
式(1)中，A为烧蚀层材料的原子量；
Z为等离子体的平均电离电荷；
I为入射激光能量密度，单位为W/cm2；
λ为入射光波长，单位为nm；
τ为激光脉宽，单位为ns。
3.根据权利要求2所述激光驱动形成近球状飞片的方法，其特征在于，激光器脉冲的频率为单次触发，脉宽为5-20ns。
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