神光III原型裝置激光驅動高速飛片實驗研究進展?

稅敏儲根柏 席濤 趙永強 范偉 何衛華 單連強 朱斌辛建婷谷渝秋

(中國工程物理研究院激光聚變研究中心,等離子體物理重點實驗室,綿陽 621900)

(2016年10月8日收到;2016年11月4日收到修改稿)

神光III原型裝置激光驅動高速飛片實驗研究進展?

稅敏?儲根柏 席濤 趙永強 范偉 何衛華 單連強 朱斌辛建婷?谷渝秋

(中國工程物理研究院激光聚變研究中心,等離子體物理重點實驗室,綿陽 621900)

(2016年10月8日收到;2016年11月4日收到修改稿)

激光驅動飛片技術具有產生的飛片速度高、成本低、裝置簡單等傳統動高壓加載技術無法取代的優點.隨著激光技術的發展,利用高功率激光脈沖發射高速飛片受到越來越多的關注.本文介紹了在神光III原型裝置上開展的激光驅動高速飛片實驗研究.利用納秒短脈沖和納秒整形長脈沖,設計并開展了幾種不同方式加速飛片的實驗研究,成功獲得了10 km·s?1的固態鋁飛片和50 km·s?1超高速度的復合金屬飛片,而且飛片具有良好的平面性和完整性.對實驗的物理設計、技術途徑和數據結果進行了比較全面的分析,為進一步開展激光驅動高速飛片相關實驗研究提供了思路,同時也證明了神光III原型裝置在激光驅動高速飛片實驗研究方面有著巨大的潛力.

沖擊波,激光驅動飛片,動高壓物理,等離子體

1 引 言

激光驅動飛片通常有兩種實驗裝置[1]:一種是激光照射在透明窗口材料和飛片靶的界面位置,利用激光燒蝕產生的高溫高壓推動飛片飛行;另一種是激光直接燒蝕飛片前表面(無約束),在飛片靶內產生沖擊波,驅動燒蝕后的剩余靶片飛行成為高速飛片.由于透明窗口材料損傷閾值較低(＜1011W·cm?2),在本文所涉及的激光強度(1012—1014W·cm?2)范圍內,強激光照射會將窗口材料離化成等離子體,從而阻擋后續激光通過窗口,因此只能采用第二種方式獲得更高的飛片速度.

激光驅動飛片加載技術是一種重要的動高壓加載技術,與激光直接加載相比,飛片加載沒有附帶的X射線和超熱電子預熱,可以在樣品內產生干凈的平面沖擊波.激光驅動飛片加載可以在實驗室產生數百GPa甚至TPa量級的沖擊壓力[2],利用這項技術可開展沖擊波物理實驗,與傳統的的飛片驅動方式,如輕氣炮[3,4]、爆轟驅動[5,6]以及電磁驅動[7]等相比,激光驅動飛片加速動力因素較小,設備可以更緊湊,實驗的破壞性比較低,沒有附帶損害,可以有效降低實驗成本,也可獲得更高的飛片速度.此外,激光驅動飛片加載的加速過程更短,可以同時開展飛片的加速和撞擊過程測量;實驗的時間間隔短,可重復性高;更重要的是可以開展小樣品、有毒、放射性和昂貴材料的相關實驗研究.正因如此,激光驅動飛片技術在很多方面都具有重要的應用:超高壓條件下材料的物態方程(EOS)研究,尤其是EOS的絕對測量[8]、高應變率條件下材料動態響應的實驗研究[9]、航空領域空間飛行器防護研究[10]、炸藥快速起爆技術研究[11].

本文對近兩年在神光III原型裝置上開展的激光驅動高速飛片實驗研究做了比較詳細的介紹,對實驗原理、實驗靶型、技術途徑和實驗結果進行了比較全面和細致的分析.

2 激光驅動高速飛片實驗研究

神光III原型裝置可提供四束3 ns方波脈沖,波長351 nm,單束激光能量可達800 J;另外還具有10 ns任意波形脈沖整形能力,單束能量小于500 J.對于激光驅動飛片,除了高的激光功率密度,激光強度空間分布的均勻性也至關重要.如果空間分布不均勻,則飛片各部分受力就不均勻,從而產生橫向應力差,造成飛片的破碎解體[12].原型裝置具有兩種尺寸(直徑2 mm和0.5 mm)的連續相位板(CPP),可以對激光光束進行空間上的勻滑,產生空間強度均勻分布的激光,使原型裝置具備了飛片發射的必要條件.

基于原型裝置的激光條件,我們發展了三種激光驅動飛片技術,如圖1所示.整形激光和短脈沖激光直接燒蝕,產生壓縮波或者沖擊波加速飛片,屬于直接驅動方式.激光燒蝕氣庫膜產生低密度等離子體射流碰撞加速飛片,屬于間接驅動方式.下面分別對這三種飛片實驗進行介紹.

圖1 (網刊彩色)激光驅動飛片的三種方式Fig.1.(color on line)Schem atic view of the m eans of laser-d riven fl yers.

2.1 整形斜波脈沖加速飛片實驗研究

整形激光驅動飛片的原理如圖2所示,整形激光脈沖燒蝕飛片材料前表面,在飛片內部產生一系列的壓縮波,壓縮波在飛片內部來回反射加速飛片飛行.線成像速度干涉儀(VISAR)[13]的探針光(波長532 nm)穿過透明窗口照射到飛片自由面,實現對飛片加速和撞擊的全過程測量.

圖2 (網刊彩色)整形激光脈沖直接驅動飛片示意圖Fig.2.(color on line)Schem atic view of laser-d riven fl yer by tem porally ram ped pu lse.

基于凝聚態物質等熵線理論和原型激光的燒蝕壓定標率[14],針對50μm厚度(L)的鋁(A l)飛片,進行了激光波形設計.激光強度基本按照指數形式變化,如方程(1)所示:

式中IL的單位是TW·cm?2,A表示原子質量數, Z為原子序數,λL為激光波長,激光脈寬t為7 ns,沖擊波形成時間t0為9 ns,鋁常壓聲速c0為5.328 km·s?1,密度ρ0為2.70 g·cm?3,等熵方程系數γ取3.505.對于該波形設計,樣品厚度L滿足L≥c0t0,因此,理想狀態下,在t0時間內,激光直接燒蝕在飛片內部產生的一系列的壓縮波并不能相互追趕疊加而形成沖擊波,從而以準等熵的方式加速飛片緩慢飛行,這樣可以降低飛片內部的熵增以及溫升,使飛片保持固體狀態,這對狀態方程的絕對測量具有重要意義[15].飛片靶結構如圖3所示,飛片靶由CH燒蝕層(1.8μm)、SiO2(0.4μm)隔熱層和A l飛片層組成.燒蝕層可以適當提高激光吸收效率,而隔熱層的目的是為了降低激光燒蝕熱傳導對飛片的加熱[1],當然,這在激光強度很高的情況下可能效果并不明顯.

圖3 (網刊彩色)整形激光驅動的飛片靶結構示意圖Fig.3.(color on line)Schem atic view of the fl yer target d riven by tem porally ram ped pu lse.

實驗中激光器實際輸出的激光波形如圖4中黑色曲線所示,波形寬度約10 ns,包括上升沿和下降沿,上升沿總體上與設計的波形符合較好,但在峰值段還是有一定偏差.激光總能量1220 J,焦斑直徑2 mm,峰值功率密度1.9×1013W·cm?2, VISAR探針光脈沖寬度14 ns,時間上落后主激光6 ns.實驗結果如圖5所示,可以看到VISAR條紋光滑連續,而且有多次彎曲,說明飛片被多次加速,這與圖5(b)中飛片速度曲線一致.由于實驗條件的限制和靶設計的原因,目前還沒有開展飛片碰撞實驗,因此無法通過樣品內的沖擊波形態來反推飛片的平面性,而只能利用線VISAR測量飛片自由面速度剖面,通過線VISAR條紋移動的時間分散性來考察飛片啟動和飛行過程中的一維平面性.從圖5可以看出,飛片啟動時刻時間分散性小于0.04 ns,遠小于飛片啟動時間(約9.7 ns,比值0.4%),二次加速和三次加速時刻的時間分散性分別約為0.04 ns和0.06 ns,表明不僅飛片啟動時刻平面性好,而且飛行中姿態保持也較好,表明CPP束勻滑確實有效地實現了激光光束的均勻化.

利用“反積分”方法[16],可以獲得飛片內部的壓力分布,如圖6所示,可以清楚地看到壓縮波在飛片內部的傳播和壓縮波在自由面的多次反射.自由面反射的稀疏波和加載面傳入的壓縮波相互作用,使飛片內部的波系變得很復雜.9.6 ns左右,飛片內部形成了沖擊波,這和我們的波形設計基本一致(t0=9 ns),不足1 ns的偏差主要是因為實際波形和設計波形在高功率密度部分有比較明顯的偏離;另外,由于燒蝕層和隔熱層的厚度遠小于飛片厚度,因此在波形設計時并沒有將其考慮在內,但實際上肯定會對結果有一些影響.強沖擊波(峰值壓力達到100 GPa,接近鋁沖擊熔化壓強120GPa)在自由面的反射造成了自由面的稀疏破碎,導致自由面的反射率急劇下降,VISAR條紋消失.實驗結果表明,對于厚度比較大的飛片,如果要獲得更高的飛片速度,則需要在波形設計中增大t0,保證在VISAR探測時間內飛片內部不形成沖擊波,確保飛片一直被弱壓縮波作用而處于固體狀態.

圖4 (網刊彩色)整形激光脈沖波形圖Fig.4.(color on line)Profi le of tem porally ram ped pu lse.

圖5 整形激光驅動飛片實驗結果 (a)V ISAR原始圖像;(b)飛片速度曲線Fig.5.Experim ental resultsof laser-d riven fl yer by tem porally ram ped pu lse:(a)Raw VISAR im age; (b)fl yer velocity cu rve.

圖6 (網刊彩色)飛片內壓力分布Fig.6.(color on line)Stress d istribu tion w ithin the fl yer.

總體而言,凝聚態物質等熵線理論是可靠的,經過合理的設計和優化,利用整形激光脈沖可以實現高速固態飛片發射.但這種方式的缺點是對波形控制能力要求較高,在今后的實驗中可以考慮先利用黑腔將整形脈沖轉化為X射線,再用X射線燒蝕驅動飛片,利用黑腔的勻滑能力適當降低對波形的要求.

2.2 等離子體射流碰撞加速飛片實驗研究

等離子體射流碰撞加速飛片的原理如圖7所示,短脈沖激光燒蝕氣庫膜并在其內部形成強沖擊波,當沖擊波到達氣庫膜后表面時,氣庫膜被離化成低密度等離子體并向下游一定距離的飛片樣品處卸載,等離子體與樣品不斷碰撞并將自身動能轉化為飛片的動能,推動飛片在第二段真空間隙中飛行[17,18].利用VISAR穿過透明窗口可以實現對飛片自由面速度的連續測量.如果飛片飛行距離足夠長,將與透明窗口發生碰撞并在窗口內產生沖擊波,因此,該設計可以同時開展飛片發射和飛片撞擊透明材料實驗研究.

圖7 (網刊彩色)等離子體射流碰撞加速飛片原理示意圖Fig.7.(color on line)Schem atic view of fl yer launching by p lasm a im pact.

開展了等離子體射流碰撞加速鋁飛片和鉭飛片實驗,分別如圖8和圖9所示,其中鋁飛片的結果已在文獻[19]中進行了描述.實驗采用原型裝置上的4束激光,脈沖波形為3 ns方波,激光束經過直徑2 mm的CPP后聚焦到氣庫膜上,氣庫膜厚度150—200μm,是一種由CH塑料摻雜3%溴原子組成的薄膜.線VISAR探測時間14 ns,速度測量范圍2—15 km/s.不同發次的參數統計分別如表1[19]和表2所列.根據分析比較發現,在我們的測量時間內(約10 ns),飛片平面性變化很小,因此,為了簡潔,我們在表1和表2中只列出了初始時間分散性,也就是飛片啟動時刻的平面性.從圖8和圖9可見,飛片速度隨著時間的增加緩慢上升,表明等離子體射流碰撞在飛片內部產生了壓縮波,以準等熵的方式加速飛片飛行.這與整形激光脈沖加速飛片類似,只是兩者產生壓縮波的方式不同.通過改變激光能量、飛片厚度、氣庫膜厚度等參數條件,可以改變飛片的加速度和速度等參數,實現對飛片飛行路徑和姿態的控制,從而改變飛片加載的應變率.可以看到,在其他參數不變的情況下,隨著激光能量的增加,飛片速度上升沿越短,加速度越高.另外,可以看到飛片速度曲線中存在平臺區域,如圖8中004發和圖9中130發結果所示.類似2.1節中的分析,我們獲得了圖9中130發鉭飛片內部的壓力等高線圖,如圖10所示.可以看到,由于飛片比較薄,壓縮波在自由面反射產生一束稀疏波,該稀疏波到達飛片前表面(加載面)又被反射成壓縮波,該壓縮波到達自由面后對飛片進行了二次加速.

圖8 (網刊彩色)等離子體射流碰撞加速鋁飛片不同發次實驗結果Fig.8. (color on line)Experim ental resu lts of alum inum fl yers launching by p lasm a im pact.

表1 等離子體射流碰撞加速鋁飛片參數統計Tab le 1.Param eters of alum inum fl yers launching by p lasm a im pact.

圖9 (網刊彩色)等離子體射流碰撞加速鉭飛片實驗結果Fig.9.(color on line)Experim ental resu lts of tantalum fl yers launching by p lasm a im pact.

表2 等離子體射流碰撞加速鉭飛片參數統計Tab le 2.Param eters of tantalum fl yers launching by p lasm a im pact.

圖10 (網刊彩色)鉭飛片內壓力等高線圖,圖中數字表示等高線對應的壓力(單位GPa)Fig.10.(color on line)Contou r lines w ithin the tantalum fl yer.The num bers in the figu re denote the correspond ing p ressu re(GPa).

從表1和表2結果可以看出,鋁飛片初始時刻(飛片啟動)時間分散性較小(與啟動時刻的比值約2%),而鉭飛片啟動時刻時間分散性較大(與啟動時刻的比值約5%),表明鋁飛片的平面性更好.主要原因是鉭飛片實驗的氣庫膜制作工藝問題,由于氣庫膜本身平面性不好,激光燒蝕產生的等離子射流在空間上分布不均勻,因此等離子體碰撞在飛片內部產生的壓縮波就不均勻,從而導致鉭飛片的平面性不好.雖然鉭飛片的峰值速度比鋁飛片低,但鉭的密度是鋁的6倍,因此鉭飛片具有更高的動能.

文獻[20]成功開展了等離子體加速鋁飛片及碰撞LiF窗口的實驗研究,其VISAR探測時間達到了50 ns.而我們的VISAR系統探測時間只有14 ns,由于等離子體飛行和飛片加速都需要一定的時間,因此要同時開展飛片加速和飛片撞擊窗口的實驗難度很大,兩段真空間隙都必須設計得很小,既限制了飛片速度的提高,也對制靶精度提出了更高的要求.

從上面的實驗分析來看,通過合理的靶設計,等離子體射流碰撞可以以準等熵的方式加速飛片,從而大大降低飛片的殘余溫度[20],減小狀態方程測量的誤差.此外,與激光直接燒蝕加速飛片相比,等離子體射流驅動的方式對激光波形要求低,而且可以大大降低激光打靶產生的X射線和超熱電子對飛片的預熱.但是,激光燒蝕氣庫膜這種方式也存在比較嚴重的問題,那就是如何進一步提高飛片的速度而不在飛片內部形成沖擊波.對于單層氣庫膜,這很難做到,理論上可以設計多層密度梯度氣庫膜[21],并提高激光脈沖寬度和能量來提高飛片速度,但這對激光器和制靶工藝的要求就會變得非常高.相比而言,整形激光脈沖直接驅動更容易獲得高的飛片速度[22].

2.3 短脈沖激光燒蝕加速超高速飛片實驗研究

短脈沖激光燒蝕加速高速飛片的實驗原理如圖11所示,利用原型裝置的3 ns方波脈沖,直接燒蝕金屬飛片的前表面,在金屬飛片內部形成沖擊波,當沖擊波到達飛片自由面時,驅動未燒蝕部分飛片飛出.飛片飛行一段時間后,與透明窗口碰撞并減速.診斷方式通常有兩種:一種是利用VISAR穿過透明窗口同時測量飛片自由面速度和飛片撞擊后窗口內的沖擊波速度[23,24],也可以通過飛片撞擊臺階窗口的時間差獲得飛片的速度[25];另一種是用輻射高溫計(SOP)接收飛片自由面的沖擊波卸載發光和飛片撞擊(臺階)窗口的可見光信號[26?28],利用飛行時間獲得飛片的平均速度和一維平面性.

圖11 (網刊彩色)短脈沖激光直接燒蝕驅動高速飛片示意圖Fig.11.(color on line)Schem atic view of fl yer launching by direct short laser ab lation.

由于原型裝置上VISAR和SOP系統不能同時使用,因此我們先后開展了利用VISAR或SOP進行診斷的短脈沖燒蝕加速飛片實驗.利用VISAR進行診斷的實驗結果如圖12所示,文獻[24]對此進行了比較詳細的討論,這里只做簡單說明.實驗采用上四束激光加載,總能量2698 J,功率密度2.7×1013W·cm?2.圖12中VISAR條紋的強弱變化和彎曲移動,反映了飛片的啟動、飛行和碰撞全過程.飛片啟動時刻平面性很好(時間分散性僅0.06 ns),經過4.7 ns后,飛片撞擊石英窗口并減速,飛片撞擊在石英窗口中產生了沖擊波,由于沖擊波壓力足夠高,使波陣面處發生了相變,導致波陣面處反射率升高,從而可以反射VISAR探針光并實現沖擊波速度的測量.波陣面啟動時刻的時間分散性為0.08 ns(與啟動時刻的比值約0.9%),表明飛片撞擊產生的沖擊波平面性好,間接表明撞擊時刻飛片的平面性較好、飛片飛行過程中姿態保持較好.石英窗口中的沖擊波速度曲線如圖13所示,可以比較明顯地看到沖擊波加速、追趕和減速三個過程,而這并不能用通常的單層固定密度的飛片撞擊來解釋.由于我們的飛片厚度達到50μm,結合該沖擊波速度曲線特征,我們認為飛片可能已經發生了分層或層裂,并不再是一個固定密度的完整飛片.這也表明,短脈沖驅動的飛片厚度存在閾值,激光功率密度和飛片厚度需要匹配,否則飛片可能發生層裂或者解體,破壞飛片的完整性,影響實驗結果分析和判斷.

圖12 (網刊彩色)短脈沖激光直接燒蝕驅動高速鋁飛片示意圖Fig.12.(color on line)Schem atic view of alum inum fl yer launching by direct short laser ablation.

利用SOP進行測量的飛片實驗中,飛片材料是在50μm厚度的聚酰亞胺(PI)上面蒸鍍2—3μm厚的銅(Cu)膜或者鉭(Ta)膜,設計多層膜的主要目的是通過阻抗匹配提高沖擊波壓力從而提高飛片速度.實驗結果如圖14所示[19],圖14(a)是飛片撞擊平面氟化鋰(LiF)窗口的實驗結果,可以清楚地看到沖擊波波破和飛片撞擊的發光信號, SOP掃描時間寬度10.3 ns.根據兩個信號的時間差,可得飛片的平均速度為42 km·s?1.而且撞擊時刻發光信號在直徑約400μm的區域內時間分散性僅有0.02 ns(與發光時刻比值約0.3%),表明飛片具有很好的平面性.同時,飛片撞擊發光強度在空間上分布均勻,強度上升沿陡峭(0.3 ns),說明飛片碰撞時仍具有很高的密度和良好的完整性.此外,我們注意到撞擊信號的兩側有些彎曲,這是由于等離子體逃逸和邊側稀疏導致的邊緣滯后[29].圖14(b)是飛片撞擊LiF臺階窗口的實驗結果,與圖14(a)的結果類似,只不過飛片先后撞擊臺階窗口和基底,飛片速度可以根據臺階高度得到,從發光強度來看,飛片在到達臺階窗口時仍處于加速過程中.整個物理過程和實驗結果都與流體力學計算結果符合得很好[19],進一步證明了我們的物理設計是正確的.

圖13 短脈沖激光直接燒蝕驅動高速飛片示意圖Fig.13.Schem atic view of fl yer launching by direct short laser ab lation.

圖14 短脈沖激光直接燒蝕驅動多層PI-Cu飛片SOP實驗結果 (a)124發,飛片撞擊平面窗口;(b)128發,飛片撞擊臺階窗口Fig.14. SOP resu lts of m u lti-layered PI-Cu fl yer launching by direct short laser ab lation:(a)Shot 124, fl yer im pact on a fl at glass w indow;(b)shot 128,fl yer im pact on a stepped glass w indow.

除了多層Cu飛片實驗,我們還開展了多層Ta飛片、單層A l飛片實驗,實驗結果如表3所列[19].可以看到,多層飛片的平面性要好于單層飛片,而且激光能量轉換效率也更高.實驗最高獲得了55 km·s?1的超高飛片速度,而且飛片具有很好的平面性和完整性,為今后在原型裝置上開展飛片加載相關實驗奠定了良好的基礎.

與VISAR診斷實驗相比,利用SOP診斷的優點是測量時間可以很長,而且理論上沒有測速限制,缺點是不能獲得飛片飛行過程中的姿態和飛片撞擊以后樣品內部的信息.

表3 短脈沖燒蝕加速飛片實驗結果統計Tab le 3.Resu lts of fl yer launching by short-laser ablation.

最后,我們來討論激光發射發片的能量轉換效率.根據η=Ef/E0(E0是驅動激光能量,Ef是飛片動能),有Ef=ρ×πD2×H×V2/8,其中,ρ表示飛片密度,計算中暫時忽略密度的變化;D表示飛片直徑;H代表飛片厚度;V表示飛片速度.經過簡單的計算,分別得到整形激光直接加速A l飛片轉換效率1.1%,短脈沖燒蝕加速復合PI-Cu飛片轉換效率1.0%,等離子體射流加速A l飛片轉換效率0.6%.這說明激光直接加速飛片要比轉換為等離子體碰撞的間接加速方式效率高,因為激光燒蝕氣庫膜產生等離子體射流的過程中必然存在一定的能量損耗.而壓縮波加速的方式比沖擊波加速的方式效率高,這是因為沖擊波作用過程的熵增大,有更多的能量轉換為飛片的內能.

3 結 論

基于神光III原型激光裝置,開展了三種不同方式的激光驅動飛片實驗研究.對于整形長脈沖激光直接燒蝕加速飛片,可以根據實驗需要進行波形設計,控制飛片的飛行路徑和姿態,是一種獲得固態飛片的有效途徑.這種方式效率高,但是對激光整形能力要求較高,而且需要考慮激光直接作用對飛片的預熱.采用激光燒蝕氣庫膜產生等離子體碰撞的方式也可以以準等熵加速固態飛片,雖然其本質也是壓縮波作用,但由于避免了激光直接作用,大大降低了預熱的風險,而且這種方式對激光的波形要求低.缺點是對于單一氣庫結構很難實現超高速飛片發射,目前僅實現11 km·s?1的飛片發射,而復雜結構的氣庫結構設計又大大增加了靶加工制作的難度.短脈沖激光直接燒蝕加速可以獲得超高速度的飛片,目前已獲得平均速度達50 km·s?1的復合銅飛片,可以直接開展飛片加載產生沖擊波實驗研究.但是強沖擊波作用必然導致飛片內部嚴重的熵增和溫升,如果要進行狀態方程研究,必然要考慮飛片的殘余溫度,否則將會引入很大的誤差.總體而言,采用何種方式來驅動飛片,取決于自身的實驗條件和研究目的.在今后的實驗研究中,對于飛片溫度的測量是需要重點考慮的問題.

本文中所有實驗均得到了神光III激光裝置運行人員、靶制備部門及實驗物理部診斷人員的大力協助,在此表示衷心的感謝!

[1]W u L Z,Shen R Q,Xu J,Ye Y H,Hu Y 2010 Acta Arm am en tar II 31 219(in Chinese)[吳立志,沈瑞琪,徐姣,葉迎華,胡艷2010兵工學報31 219]

[2]Caub le R,Phillion D W,Hoover T J,Holm es N C, K ilkenny J D,Lee R W 1993 Phys.Rev.Lett.70 2102

[3]Jones A H,IsbellW M,M aiden C J 1966 J.App l.Phys. 37 3493

[4]G lushak B L,Zhakov A P,Zhernok letov M V,Ternovoi V Y,Filim onov A S,Fortov V E 1989 Sov.Phys.JETP 69 739

[5]Stilp A J 1987 In t.J.Im pact Eng.5 613

[6]Chhabildas L C,Dunn J E,Reinhart W D,M iller J M 1993 J.Im pact Eng.14 121

[7]Haw ke R S,Duerre D E,Huebel J G,K lapper H,Steinberg D J 1972 J.Appl.Phys.43 2734

[8]Sw ift D C,Niem czu ra J G,Paisley D L,Johnson R P, Luo S N,T ierney IV T E 2005 Rev.Sci.Instrum.76 093907

[9]Paisley D L,Luo SN,G reen field SR,Koskelo A C 2008 Rev.Sci.Instrum.79 023902

[10]Gu Z W,Sun C W,Luo L J 2002 Infrared Laser Eng. 31 428(in Chinese)[谷卓偉,孫承緯,羅利軍2002紅外與激光工程31 428]

[11]Paisley D L,M ontoya N I,Stah l D B 1990 19th In ternational Congress on High-Speed Photography and Photonics Cam b ridge,United K ingdom,Sep tem ber 16–21, 1990 p760

[12]N iu J C,Gong Z Z,Cao Y,Dai F,Yang J Y,Li Y 2014 Explosive and Shock W aves 34 129(in Chinese)[牛錦超,龔自正,曹燕,代福,楊繼運,李宇2014爆炸與沖擊34 129]

[13]Barker L M,Hollenback R E 1972 J.Appl.Phys.43 4669

[14]Xue Q X,W ang Z B,Jiang S E,W ang F,Ye X S,Liu J R 2014 Phys.P lasm as 21 072709

[15]Jing F Q 1999 Guide of Experim en tal Equation of State p204(in Chinese)[經福謙1999實驗物態方程導引(北京:科學出版社)第204頁]

[16]Hayes D B,Hall C A,Asay J R,K nudson M D 2003 J. Appl.Phys.94 2331

[17]Edwards J,Lorenz K T,Rem ington B A,Pollaine S, Colvin J,B raun D,Lasinski B F,Reism an D,M cNaney J M,G reenough J A,Wallace R,Louis H,Kalantar D 2004 Phys.Rev.Lett.92 075002

[18]Shan L Q,Gao Y L,X in J T,Wang F,Peng X S,Xu T, Zhou W M,Zhao Z Q,Cao L F,W u Y C,Zhu B,Liu H J,Liu D X,Shui M,He Y L,Zhan X Y,Gu Y Q 2012 Acta Phys.Sin.61 135204(in Chinese)[單連強,高宇林,辛建婷,王峰,彭曉世,徐濤,周維民,趙宗清,曹磊峰,吳玉遲,朱斌,劉紅杰,劉東曉,稅敏,何穎玲,詹夏宇,谷渝秋2012物理學報61 135204]

[19]ShuiM,Chu G B,Zhu B,He W H,X i T,Fan W,X in J T,Gu Y Q 2016 J.Appl.Phys.119 035903

[20]Fratanduono D E,Sm ith R F,Boeh ly T R,Eggert J H, B raun D G,Collins G W 2012 Rev.Sci.Instrum.83 073504

[21]Prisbrey S T,Park H S,Rem ington B A,Cavallo R,M ay M,Pollaine SM,Rudd R,M addox B,Com ley A,Fried L,B lobaum K,W allace R,W ilson M,Sw ift D,Satcher J,K alantar D,Perry T,G iraldez E,Farrell M,Nik roo A 2012 Phys.P lasm as 19 056311

[22]Sm ith R F,Eggert J H,Jean loz R,Du ff y T S,B raun D G,Patterson J R,Rudd R E,Biener J,Lazicki A E, Ham za A V,W ang J,B raun T,Benedict L X,Celliers P M,Collins G W 2014 Nature 511 330

[23]OzakiN,Koenig M,Benuzzi-M ounaix A,V inci T,Ravasio A,Esposito M,Lepape S,Henry E,Hüser G,Tanaka K A,Nazarov W,Nagai K,Yoshida M 2006 J.Phys.IV France 133 1101

[24]Shui M,Chu G B,X in J T,W u Y C,Zhu B,He W H, Gu Y Q 2015 Chin.Phys.B 24 094701

[25]Okada K,W akabayashi K,Takenaka H,Nagao H, Kondo K,Ono T,Takam atsu K,Ozaki N,Nagai K, Nakai M,Tanaka K A,Yoshida M 2003 In t.J.Im pact Eng.29 497

[26]K adonoa T,Yoshida M,Takahashi E,M atsushim a I, Owadano Y,Ozaki N,Fu jita K,Nakano M,Tanaka K A,Takenaka H,Kondo K 2000 J.Appl.Phys.88 2943

[27]Tanaka K A,Hara M,Ozaki N,Sasatani Y,Anisim ov S I,Kondo K,Nakanoa M,Nishihara K,Takenaka H, Yoshida M,M im a K 2000 Phys.P lasm as 7 676

[28]Ozaki N,Sasatani Y,K ishida K,Nakano M,M iyanaga M,Nagai K,Nishihara K,Norim atsu T,Tanaka K A, Fu jim oto F,W akabayashi K,Hattori S,Tange T,Kondo K,Yoshida M,Kozu N,Ishiguchi M,Takenaka H 2001 J.Appl.Phys.89 2571

[29]B rown K E,Shaw W L,Zheng X X,D lottb D D 2012 Rev.Sci.Instrum.83 103901

PACS:47.40.Nm,47.80.Cb,47.85.Dh,52.38.M fDOI:10.7498/aps.66.064703

Experim ental p rogress of laser-d riven fl yers at the SG-III p rototype laser facility?

ShuiM in?Chu Gen-Bai Xi Tao Zhao Yong-Qiang Fan Wei HeWei-Hua Shan Lian-Qiang Zhu Bin Xin Jian-Ting?Gu Yu-Qiu

(Key Laboratory of P lasm a Physics,Research Center of Laser Fusion,China Academ y of Engineering Physics, M ianyang 621900,China)
(Received 8 O ctober 2016;revised m anuscrip t received 4 Novem ber 2016)

Laser-d riven fl yers have unique advantages of high fl yer velocity,low cost,sim p le facility com pared w ith the fl yers driven by other conventional dynam ic high-pressure loading techniques.W ith the fast development of laser technique, launching hypervelocity fl yers w ith high-intensity laser pulse has becom e m ore and m ore prevalent.In this paper,we introduce the recent experim ents of laser-driven fl yers at the SG-III p rototype laser facility.

Three ways of launching hypervelocity fl yers are developed and introduced,respectively.In the fi rst way,mu ltilayered alum inum fl yersare gradually accelerated to a term inal velocity of8 km/s,which ismeasured by op tical velocimetry,w ithout melting and vaporization.The p ressure distribution w ithin the fl yer shows that the tem porally ram ped pu lse ab lation generates a com p ression wave,and the fl yer is accelerated by this wave and its reverberation w ithin the fl yer.In the second way,a strong laser ablates the low-density reservoir foil and generates strong shock in the foil. The shock wave is strong enough,and when the shock breaks out from the free surface,the foil w ill unload as p lasm a towards the fl yer w ith a density profi le.The p lasma decelerates upon colliding the fl yer,and the single-layered fl yer is gradually accelerated by them om entum transition.In our experim ents,single-layered alum inum foil and single-layered tantalum foil are accelerated to 11.5 km/s and 6.5 km/s,respectively.According to the p ressure distribution w ithin the fl yer,the fl yer is also accelerated by the com pression wave p roduced by the p lasm a collision,which is sim ilar to the case of direct ab lation by tem porally ram ped pulse.However,theway of p lasma collision could better reduce X-ray and electron p reheat and obtain cleaner fl yers.In the last way,the fl yers are launched by direct strong short-laser ablation. The multi-layered alum inum foil is accelerated to a high average velocity of 21.3 km/s by using a 3-ns quadrate laser pu lse at 351 nm after spatial hom ogenization.A line-velocity interferom eter system for any reflect(V ISAR)is em p loyed tom onitor the p rocesses of fl yer launch and fl ight in a vacuum gap and the shock velocity associated w ith phase change in fused silica target after fl yer im pact is inferred.The reflectivity variations of the VISAR fringe pattern and the shock velocity in the fused silica suggest that the fl yer owns a density gradient characteristic.Furthermore,specifically designed multi-layered fl yers(polyim ide/copper)are accelerated by shock im pedance and reverberation techniques to a super high averaged velocity of 55 km/s,which ismuch faster than recently reported resu lts.Light-em ission signals of shock breakout and fl yer im pact on fl at or stepped w indow s are obtained,which indicates the good p lanarity and integrity for the fl yer.Com pared w ith single-layer fl yers,multi-layered fl yers have a good p lanarity,and a high energy conversion effi ciency from laser to fl yers.

In this paper,we give a com prehensive analysis and com parison of the experim ental designs,techniquem eans and data results about laser-d riven fl yers.Thiswould p rovide a reference for further experim ental study of laser-d riven fl yers and also verify that the SG-III p rototype laser facility is a very prom ising facility for studying the hypervelocity fl yers launching field.

shock wave,laser-driven flyers,dynam ic high-pressure physics,plasma

10.7498/aps.66.064703

?國家自然科學基金(批準號:11504349)和中國工程物理研究院重點實驗室基金(批準號:9140C 680305140C 68289)資助的課題.

?通信作者.E-m ail:shuim in123@163.com

?通信作者.E-m ail:jane_x jt@126.com

*Pro ject supported by the National Natu ral Science Foundation of China(G rant No.11504349)and the Key Laboratory Foundation of China Academ y of Engineering Physics(G rant No.9140C680305140C 68289).

?Corresponding au thor.E-m ail:shuim in123@163.com

?Corresponding au thor.E-m ail:jane_xjt@126.com