Kr F激光對高速飛片的驅動特性研究

李業軍，王 釗，田寶賢，梁 晶，韓茂蘭，陸 澤，湯秀章

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

Kr F激光對高速飛片的驅動特性研究

李業軍，王 釗，田寶賢，梁 晶，韓茂蘭，陸 澤，湯秀章

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

利用誘導空間非相干技術平滑的KrF準分子（248nm）激光驅動帶有燒蝕層的平面靶，研究激光空間均勻性對產生完整飛片的影響，結果表明激光不均勻性在2%以下，能夠產生完整的高速飛片，且完整飛片能夠維持20ns以上不破裂；當激光不均勻性達到5%，激光引入流體力學不穩定性種子應很強，沖擊波在靶內輸運過程中不穩定性不斷發展增強，到靶背時強到足以使飛片解體甚至氣化，不能產生完整的飛片。為了獲得盡可能高的飛片速度，采用激光與燒蝕層參數不匹配方法，使沖擊波對飛片作多次加速。利用功率密度為1012W／cm2的Kr F激光與含50μm Kapton燒蝕層的5μm鋁飛片作用，得到速度約10km／s的高速飛片，與模擬結果吻合得很好。

Kr F準分子激光；高速飛片；沖擊波平面性；速度干涉條紋 ；側向陰影照相

0 引 言

激光驅動飛片技術是20世紀80年代末迅速發展起來的一種新型動高壓加載技術。激光驅動是利用激光燒蝕物質產生的高溫高壓等離子體推動未燒蝕完物體作高速飛行。與傳統的高速驅動方式（氣體炮、爆轟驅動以及電磁驅動等）相比，激光驅動飛片具有獨特的優越性。目前最高飛片速度可達到1000km／s以上［1］，產生TPa量級的沖擊壓力，甚至更高；且具有裝置簡單、安全性高、頻率特性好和經濟性好等優點，能夠極大提高科學研究效率。激光驅動高速飛片正廣泛應用于高壓物理學、空間科學、材料科學以及炸藥的快速起爆等領域［2-4］。

激光驅動高速飛片對沖擊波平面性要求應與激光驅動高壓狀態方程實驗的平面性要求［5-7］一樣，靶面各處的沖擊波壓強取決于該點處的激光輻照強度，強度越高，壓強越大，相應的沖擊波速度也越快，在靶中傳播一段距離后，波陣面就越超前。理想（平整度與光潔度）靶面情況下，激光能量分布的空間均勻性決定沖擊波平面性，而飛片的完整性與平面性取決于沖擊波平面性。若沖擊波存在流體力學不穩定因子，該因子會在沖擊波輸運過程中不斷增長，增長到一定程度會導致飛片解體甚至氣化。所以激光的不均勻性會“印”在等離子體上，進一步“印”在燒蝕面上，最終的結果是激光均勻性決定飛片的完整性與平面性。

目前，激光驅動飛片實驗用靶主要有兩種形式。一種是帶約束層靶［8-10］，利用帶約束層窗口阻擋激光燒蝕等離子體的后向膨脹，在激光強度較低的情況下能夠有效提高沖擊壓力和飛片速度。受窗口材料破壞閾值的限制，驅動激光強度相對較低（～109W／cm2），所以驅動飛片速度不會太高，最高在8km／s左右。

另一種是激光直接與飛片靶（多數情況下飛片靶前帶有燒蝕層）作用，由于不存在激光強度閾值問題，可以利用高強度（1012W／cm2）激光驅動飛片，能把飛片加速到更高速度，是發射高速甚至超高速（＞15km／s）飛片的主要技術途徑。圖1是激光直接驅動示意圖，飛片發射機理為：高功率激光聚焦作用在靶（或燒蝕層）上，靶的表層（大約等于趨膚深度）吸收激光脈沖前沿的能量后，溫度迅速升高而融化，發生電離，形成高溫高密度等離子體，后續的激光能量吸收發生在等離子體臨界面附近，通過等離子體中電子的逆韌致吸收完成。在臨界面上，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電子向四周飛散，向靶內輸運的電子對靶面繼續撞擊，使得電子、離子或者碎片向外高速噴射。粒子在向外膨脹、噴射的同時，產生向靶內傳輸的沖擊波。沖擊波克服未燒蝕剩余靶片側向剪切力作用產生飛片，沖擊波與飛片自由面反射稀疏波的共同作用加速靶到高速度。

激光輻照靶面除了會產生燒蝕壓力外，還會產生光壓和熱應力。在激光功率密度小于1015W／cm2的情況下，相對于燒蝕壓，光壓與由溫度梯度造成的熱應力可忽略不計。

圖1 帶燒蝕層靶結構示意圖Fig.1 Structure sketch of target with ablation

由于燒蝕層為CH材料，無法采用磁控濺射等方法制作飛片層，飛片靶多采用軋制方式加工，靶表面光潔度較差，為了減小飛片產生過程中不穩定性的影響，對激光的均勻性要求就更高。具有短波長（248nm）KrF準分子激光恰好能夠滿足這方面的要求。KrF激光具有寬頻帶（3THz）特性，利用誘導空間非相干（ISI）［11］技術能夠把激光束空間均勻性平滑到很高，然后采用像傳遞與角多路（MOPA）［12-13］技術，使激光焦斑空間均勻性得到極大提高，不均勻性能夠控制在1%以內，可有效抑制流體力學不穩定性因子的產生與發展，利于驅動產生完整飛片；此外，與短波長對應的等離子體臨界密度高，激光能夠傳輸到等離子體密度更高區域，激光吸收效率高，產生的光壓大，利于把飛片加速到高速度；與短波長對應的激光等離子體不穩定性（LPI）閾值高，能夠有效抑制LPI發生，進一步遏制流體力學不穩定性種子源的產生。

目前，關于激光均勻性對驅動飛片的產生、飛片平面性與完整性的研究未見報道，本文利用高均勻性Kr F準分子激光與含燒蝕層飛片作用，研究激光均勻性對飛片的產生及飛片特性的影響，利用百焦耳Kr F準分子激光產生速度約為10km／s的高速飛片。

1 實驗方案

實驗在中國原子能科學院準分子激光實驗室“天關一號”裝置上進行，激光參數為248nm／25ns／500μm，主放大器6束光輸出能量約100J。利用誘導空間非相干技術（ISI）使光束不均勻性在0.8%以內，采用像傳遞及角多路（MOPA）技術經過預放大器與主放大器兩級放大，6束激光疊加后像位面上焦斑不均勻性在1.6%左右。圖2是焦斑的三維圖形。靶上激光均勻性通過改變靶面與焦斑像位面的距離來實現。當靶在像位面上，激光不均勻性在2%以內；靶偏離像位3mm處，光斑不均勻性就會達到5%左右。激光不均勻性是通過計算焦斑平面線上的不均勻性因子得到的。

圖2 激光焦斑三維圖像Fig.2 Three-dimensional image of laser focus

采用兩種方法對飛片性能進行診斷：一種是利用側向陰影照相［14-15］方法，根據測量的飛片運行軌跡擬合得到飛片速度及加速度等參數；另一種是采用具有空間分辨的成像型速度干涉儀［16-17］進行測量，根據多普勒頻移引起條紋躍變間斷面的平整度得到沖擊波平面性、飛片的平面性與完整性，由條紋移動后持續時間推得飛片維持時間與飛行距離。此外，通過擋濺射片上沉積靶碎片尺寸也可對飛片完整性作定性判斷。

2 實驗結果與分析

2.1 激光均勻性對產生飛片的影響

圖3是利用激光速度干涉儀對激光驅動進行診斷的實驗原理圖，擋濺射片一方面用于保護干涉儀成像鏡免受靶碎片破壞，另一方面可以對產生的飛片飛行一定距離后的性狀作定性了解。為了減少對成像質量的影響，擋濺射片緊貼成像系統鏡片，距靶約120mm。由于擋濺射片距靶太遠，飛片到達此處時早已解體，從靶碎片情況只能對飛片性狀作定性判斷。

圖3 激光驅動飛片實驗原理圖Fig.3 Principle sketch of laser driving flyer

靶面激光不均勻性為5%時，得到的圖4和5分別為干涉圖像和擋濺射片上飛片碎片情況。由圖4可以看到，干涉圖像在條紋移動后完全消失，這是由于激光驅動的沖擊波均勻性差，存在較強的不穩定性種子源，沖擊波傳輸過程中流體力學不穩定性（RTI）進一步增強，沖擊波到達飛片靶自由面（甚至飛片內部）時就促使飛片解體甚至氣化，無法反射干涉儀探針光，造成干涉條紋跳變后消失。擋濺射片上靶碎片呈粉末狀分布也說明飛片在流體力學不穩定性因子作用下部分已經氣化，證實飛片解體很嚴重，靶內存在很強的流體力學不穩定性。

圖6和7是靶在像位上（激光不均勻性小于2%）的實驗結果。圖6是條紋相機第6檔（全量程50ns）測量的干涉圖像，干涉圖像很完整，飛片飛行約20ns后方解體（飛行約150μm）；圖7是擋濺射片上解體碎片顆粒分布情況，顆粒較大，沒有出現粉末狀靶碎片。說明激光驅動的沖擊波均勻性好，靶內存在的流體力學不穩定性作用弱，沖擊波傳輸到靶背時還不至于撕裂靶片，可以產生完整的飛片。干涉條紋的間斷面不平整度很小，約63ps，說明激光驅動的沖擊波平面性與飛片平面性都很好。

圖4 激光驅動平面靶的干涉條紋Fig.4 Interference fringes of flat target driven by laser

圖5 擋濺射片上的靶碎片Fig.5 Target debris on sputtering film

圖6 激光驅動平面靶干涉條紋Fig.6 Interference fringes of flat target driven by laser

圖7 擋濺射片上的靶碎片Fig.7 Target debris on sputtering film

以上2個實驗說明激光能量均勻分布是產生平面性良好沖擊波的前提，高均勻平面沖擊波才能驅動產生具有很好完整性與平面性的飛片。

2.2 激光驅動高速飛片

從狀態方程研究的角度出發，希望激光驅動產生的沖擊波在靶內能穩定輸運，盡量不對靶產生加熱等其它作用。一般應使激光參數與燒蝕層參數匹配，只在靶內產生一穩定平面沖擊波。但為了獲得盡可能高的飛片速度，可以不考慮激光與燒蝕層參數匹配問題，沖擊波在靶內可能要對飛片靶作幾次加速。

采用如圖1所示的靶結構，實驗用靶為5μm鋁飛片，飛片前是作為燒蝕層的50μm Kapton膜。采用側向陰影照相法對飛片運行軌跡進行測量。

圖8是采用側向陰影照相得到的能量為50J激光驅動產生飛片的軌跡圖像與擬合曲線，擬合結果表明飛片運行軌跡近似為線性，飛片速度為5.58km／s。在約60ns時間內，飛片近似勻速運動，沒有觀測到明顯的加速過程。在此激光強度下，激光與燒蝕層作用形成沖擊波，當沖擊波到達飛片背表面后粒子速度跳變為自由面速度，速度上升很迅速，以至于條紋相機100ns檔無法分辨其初始階段的加速過程，此后飛片以近似勻速狀態飛行，說明沖擊波在對飛片驅動過程中只有一次加速作用。

圖8 50J能量下鋁飛片軌跡圖像及擬合曲線Fig.8 Aluminum flyer track image and curve fitting under 50J laser

圖9是能量為100J激光輻照相同靶參數的鋁飛片的運行軌跡，飛片軌跡持續約30ns，飛行軌跡不再是近似直線，出現了明顯的加速過程。軌跡是飛片速度對時間的積分，圖像取點是離散的數據樣本，直接對軌跡輪廓線進行擬合，然后對輪廓線求微分得到速度曲線。

圖10所示為100J能量下擬合的飛片飛行軌跡，速度、加速度曲線。擬合處理中取飛片啟動時刻為時間0點，分3種情況擬合飛片的速度：（1）對飛片運行24ns后的軌跡進行線性擬合，此時激光驅動沖擊波對飛片加速的過程接近尾聲，飛片近似作勻速直線運動，所以對飛行軌跡后部數據作1次線性擬合；（2）忽略沖擊波成長的非線性與稀疏波稀疏近勻速過程，假定飛片在穩定的燒蝕壓作用下做勻加速運動，對飛片軌跡進行2次擬合；（3）認為飛片運動是變加速的（類似NIKE的處理方法），對飛片軌跡進行4次擬合。

將運動軌跡后期當作勻速運動來處理，從24.6ns開始進行擬合，其1次線性擬合的速度為9.87km／s，擬合曲線如圖10（a）所示；對于勻加速運動，其飛行軌跡為2次曲線，擬合得到飛片初始速度為4.77km／s，加速度為0.23×109km／s2，速度線性增加；對于變加速的加速運動，擬合得到其初始速度為1.00km／s，速度擬合曲線如圖10（c）所示，加速度呈逐漸減小的趨勢，變加速運動中，其加速度在22ns附近逐漸降低為0，說明沖擊波對飛片加速結束。在21.3ns時刻，勻加速運動與變加速運動的速度曲線相交，此刻對應的速度為9.71km／s，與1次線性擬合的速度接近，飛片近似作勻速運動。

圖9 100J能量下鋁飛片陰影圖像Fig.9 Aluminum flyer shadow image under 100J laser

圖10 飛片軌跡與速度擬合曲線Fig.10 Flyer trajectory，velocity and acceleration curve fitting

圖11 利用Hyades模擬的飛片速度曲線Fig.11 Curves of flyer velocity simulated using Hyades code

圖11是利用Hyades程序模擬飛片速度演化的結果。圖11（a）使用的參數與實驗相同，從圖中明顯可看出激光驅動的沖擊波對飛片作多次加速，最終速度為10 km／s，與實驗結果吻合得很好。圖11（b）是其它參數都不變，燒蝕層厚度減小到30μm的情況，模擬得到的飛片速度可達16.5km／s，沖擊波對飛片也作多次加速，模擬結果有待實驗驗證。

3 結論與展望

實驗研究了Kr F準分子激光的空間均勻性對飛片產生及其完整性的影響，結果表明，在激光強度為1012W／cm2條件下，利用Kr F準分子激光直接驅動帶燒蝕層飛片靶，當激光不均勻性在2%以內，可以驅動平面性很好的高速飛片，飛片能夠飛行約150μm以上；當激光不均勻性達到5%左右，由激光不均勻性引入的不穩定性種子強，沖擊波向靶內輸運過程中流體力學不穩定性發展到足以使飛片解體甚至使飛片氣化，不能產生完整飛片。說明沖擊波平面性強烈地依賴于激光束空間均勻性，沖擊波平面性又決定飛片的平面性與完整性。高均勻性激光是直接驅動高速飛片的前提。

采用Kr F準分子激光作為直接驅動高速飛片驅動器，在于其具有短波長、寬頻帶特性。短波長對應于高吸收效率，可以加速飛片到更高速度；光束均勻性好可以有效抑制不穩定性產生，有利于產生平面性好的完整飛片。利用百焦耳Kr F準分子激光把帶有50μm燒蝕層的5μm鋁飛片加速到約10km／s，與模擬結果一致。根據HYADES的模擬結果，燒蝕層厚度減小到30μm時，有望得到16.5km／s的超高速飛片，該結果有待實驗檢驗；但燒蝕層太薄，后向噴射靶碎片可能會污染激光聚焦系統元件，也有待實驗驗證。

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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

（編輯：楊 娟）

2013-06-09；

：2013-12-25

LiYJ，WangZ，TianBX，etal.ResearchonthedrivingcharacteristicsofhighspeedflyerusingKrFlaser.JournalofExperimentsin FluidMechanics，2014，28（3）：104-109.李業軍，王 釗，田寶賢，等.KrF激光對高速飛片的驅動特性研究.實驗流體力學，2014，28（3）：104-109.

李業軍（1969-），男，江蘇宿遷人，研究員。研究方向：激光等離子體物理。通信地址：北京275-7信箱（102413）。E-mail：liyj＠ciae.ac.cn