激光等离子体动量转换效率的实验研究

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1、第*(卷第!期"##*年!月物理学报L8M)*(，K8)!，+45N47?，"##*!###F’"-#1"##*1*（(#!）1#!-"F#*E

2、月!’日收到；"##(年(月!"日收到修改稿）强激光与固体靶相互作用时，产生的高速喷射的等离子体对靶具有强烈的反冲作用，因此，激光等离子体可以作为一种新型的推进动力源)与传统的化学燃料推动相比，激光等离子体具有较高的比冲和有效载荷比等特点)对纳秒激光脉冲与铝、石墨、铅和碳氢靶相互作用时，等离子体对靶的冲量进行了实验测量，研究了大气与真空环境下的靶动量与激光聚焦面积的关系，并对部分实验结果与理论计算的数值进行了比较)实验结果显示，大气与真空环境下的靶动量有很大的差异，并且真空下的靶动量受材料性质的影响较大，与以往长脉冲激光的实验结果有很大的不同)关键词：激光等离子体，动量，动量耦合系数

3、!"##：*"*#+，*""*［"］以应用于维持卫星轨道参数等领域)!.引言利用激光等离子体的反冲作用作为推进动力的［%］思想最早由3456789:6;提出，在随后的几年里，人传统意义上的火箭依靠化学燃料的燃烧来获得们对<="激光与固体靶相互作用的动量转换过程［$—!#］前进的动力，其发动机的性能主要取决于喷气速度，进行了大量的基础研究)但在上世纪%#年代后而化学燃料火箭发动机的喷气速度最高只有*/期直至-#年代中期，该项研究的报道甚少)直到-#’!#012的水平)同时由于化学燃料推动中复杂的发年代后期>?74@8等人提出了“大气呼吸模式”的激［(］射操作运转模式、高昂的发射成本、低

4、的重复使用率光等离子体推进方式并实验成功后，该项研究又等缺点限制了人类对太空的进一步探索)为了克服重新引起人们的重视)"##!年A4@B等人进行的激光［!］上述困难，人们不断寻找新的推进方法)随着激光功推动纸飞机模型的实验，进一步说明了激光等离率和强度的不断提高，激光作为一种新的能量载体，子体的反冲作用应用于推进领域的可能性)随激光已经逐渐具备了替代传统化学燃料的可能性)强激技术的发展，各种新型的激光器不断出现，激光的波光辐照固体靶产生的等离子体的喷射速度可达到长涵盖了从紫外到近红外的多个频率，脉冲宽度到(*!#—!#012，远高于一般化学燃料火箭发动机的喷了飞秒量级，连续激光的输出

5、功率已达兆瓦量级，脉气速度)作为化学燃料的一种可能的替代方式，激光冲激光的峰值功率甚至到了CD量级)为了对激光等离子体由于其较高的推进比冲和有效载荷比而日等离子体在推动领域的应用前景做出可靠的判断，［!—&］益受到人们的重视)高强度激光与物质相互作有必要对各种参数的激光与不同材料相互作用时产用时，产生向外膨胀的高温等离子体具有强大的反生的等离子体的动量特性进行系统的理论和实验研冲作用，利用这个原理驱动的飞行器因为不需没有究，以便寻找能进一步提高动量转化效率和推进比配备传统意义上的发动机，只有观察和通讯装置，质冲的方法)本文对纳秒AE,脉冲激光与不同材料的量非常轻，所以在观察和通讯方面

6、有广泛的应用前固体靶相互作用的动量转换进行了实验测量，系统［!］景)此外，利用小功率激光制作的微推力装置还可地研究了激光等离子体的反冲动量与材料种类、聚!国家自然科学基金（批准号：!###(#!*，!#!%&#’(），国家重点基础研究项目（批准号：,!---#%*"#&）和国家高技术项目联合资助的课题)$期郑志远等：激光等离子体动量转换效率的实验研究$7(焦强度和环境气压的关系，得到了与微秒长脉冲激通过靶室外面的摄像机记录下来，然后根据靶的摆光有很大差异的实验结果!幅和摆长可以容易地计算出靶的初速度，从而获得靶的动量!靶相对于光束几何焦点的位置是用图中"#实验的标尺来确定的，其中，透

7、镜的几何焦点对应于标尺的0#.&’处!激光在靶面上的聚焦强度、聚焦面积与实验是在中国科学院物理研究所光物理重点实靶位置的对应关系见表$!验室完成的，图$为实验装置示意图!长方体的靶用两根长为$%&’的摆线悬挂起来形成一个单摆!将单摆放置在步进电机驱动的三维平移台上，靶面到聚焦透镜的距离可通过此平移台进行调节!整个测量装置放于可抽真空的靶室内，最高真空度为$#(()*!实验中采用的驱动激光器为二倍频后的+,-激光器，波长为.("/’，脉宽为0/1!激光脉冲经