激光驱动飞片超高速发射技术实验研究

《激光驱动飞片超高速发射技术实验研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第２２卷第１２期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．１２２０１０年１２月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＤｅｃ．，２０１０文章编号：１００１４３２２（２０１０）１２３０１１０４激光驱动飞片超高速发射技术实验研究代福１，２，龚自正１，曹燕１，牛锦超１，童靖宇１，向树红１，杨李茗２（１．北京卫星环境工程研究所，北京１０００９４；２．成都精密光学工程研究中心，成都６１００４１）摘要：介绍了影响激光驱动超高速发射技术的各种因素。分析了激光能量、激光光束空间分布对飞片发射速度及完整性的影响和飞片靶镀膜工艺对飞

2、片速度及完整性的影响。结果表明：空间分布为“平顶型”的激光束有利于发射出完整的飞片。在膜与基底之间增加过渡层Ｃｒ可以大大提高膜与基底之间的附着力，从而提高飞片的发射速度。实验上利用波长１０６４ｎｍ、脉宽１０ｎｓ、能量８３５ｍＪ的激光使厚度５μｍ、直径１ｍｍ的铝飞片的发射速度达到１０．４ｋｍ／ｓ。大大提升了对微米级空间碎片速度的发射能力。关键词：激光驱动；飞片靶；附着力；超高速发射技术中图分类号：Ｏ４８４．４文献标志码：Ａ犱狅犻：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１０２２１２．３０１１激光驱动飞片技术是２０世纪８０年代末迅速发展起来的一种

3、新型动高压加载技术。其原理是在透明约束基底上粘贴或沉积一层金属或非金属薄膜制备成飞片靶，一束高强度脉冲激光透过基底材料入射到薄膜表面，［１３］使薄膜内表面瞬间气化或电离，产生高温高压等离子体。由于受到基底材料的约束，等离子体产生的高压冲击波作用到入射区前面的薄膜上，将薄膜剪切下来形成速度高达几ｋｍ／ｓ的高速飞片。激光驱动飞片技术除了用于研究材料的高压改性及状态方程外，一个很重要的用途在于可以研究空间碎片超高速撞击特性及累积损伤效应，为航天器在轨使用寿命及寻求可靠性防护措施提供必要依据。由于空间碎片的速度大多在１０ｋｍ／ｓ以上，有的

4、甚至高达几十ｋｍ／ｓ，因此，采用激光驱动飞片技术模拟空间碎片超高速撞击特性及累积损伤效应，飞片发射速度是首先也是必须攻克的关键。由于激光与物质相互作用的机理极为复杂，影响飞片发射速度的因素众多，如激光光束质量、激光能量、激光脉宽、飞片靶质量等，因此，从理论上分析影响飞片发射速度的因素相当困难。本文从实验出发，主要分析了激光光束质量对飞片完整性的影响，研究了激光能量与飞片发射速度之间的关系，探讨了飞片靶制靶工艺对飞片发射速度的影响。１激光光束质量对飞片完整性的影响［３］激光驱动飞片的原理示意图如图１所示。激光驱动飞片系统飞片的产生是首

5、先也是必要的条件，但并不是任何激光作用在飞片靶上均能发射出飞片。Ｃ．Ｓｔｅｉｎ对比分析了不同空间分布激光对发射飞片完［４］整性的影响，得出激光光束空间分布为“平顶型”或近“平顶型”的激光有利于发射出完整的飞片。“平顶型”激光作用到薄膜表面容易产生平面冲击波，可将飞Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｌａｓｅｒｄｒｉｖｅｎｆｌｙｅｒｓｙｓｔｅｍ片平行驱动出去而不被撕碎。相反，利用激光光束空图１激光驱动飞片原理示意图间分布存在强区的激光不能发射出完整的飞片，事实上用这类激光发射的飞片在飞行过程中已经破碎。中国空间技术研究院北

6、京卫星环境工程研究所采用激光驱动飞片技术研究空间碎片的超高速撞击特性中也发现，光束空间分布如图２所示的激光发射的飞片已经破碎。其原因在于，当激光作用到飞片靶上时，强区处局部能量累积过快，率先突破基板对铝膜的约束而将铝膜撕裂，图２中的右下小图即为飞片撞击铝板时的撞击形貌。破碎的飞片不利于进行单个飞片超高速撞击特性的研究。后经改进，将光束空间分布调整为“平顶型”，如图３所示，当激光作用到飞片靶上时，能量在光斑区域内均匀累积，所以能够发射出片状的完整的飞片。图３中的右下小图即为该空间分布激光发射的飞片撞击铝板时收稿日期：２００９０９

7、０７；修订日期：２００９１２２８基金项目：国家国防科技工业局空间碎片专题研究项目（ｋｊｓｐ０６２０９）作者简介：代福（１９７７—），男，博士，主要从事激光驱动微小碎片及激光损伤与防护技术研究；ｉｏｅ＿ｄａｉｆ＠１２６．ｃｏｍ。３０１２强激光与粒子束第２２卷的撞击形貌。Ｆｉｇ．２Ｓｐａｔｉａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆ“ｓｔｒｏｎｇｓｐｏｔ”ｌａｓｅｒｂｅａｍａｎｄＦｉｇ．３Ｓｐａｔｉａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆ“ｆｌａｔｃａｐ”ｌａｓｅｒｂｅａｍａｎｄｔｈｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆＡｌｐｌａｔｅｉｍｐａｃｔｅｄｂｙｆｌｙｅ

8、ｒｄｒｉｖｅｎｂｙｔｈｉｓｂｅａｍｔｈｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆＡｌｐｌａｔｅｉｍｐａｃｔｅｄｂｙｆｌｙｅｒｄｒｉｖｅｎｂｙｔｈｉｓｂｅａｍ图２存在强区光束空间分布的激光及发射飞片撞击Ａｌ板的撞击形貌图３“平顶型”光束空间分布激光及发