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1、强激光间接驱动材料实验技术研究1引言冲击加载下材料动态破碎过程研究是目前冲击波物理研究中一个热点问题[1−5],强激光驱动加载已成为相关物理实验研究的一种有效手段[2,6−9].激光驱动加载要求冲击加载的一维区达到mm级,且具有较好的均匀性[1,7].目前的物理实验主要利用强激光直接驱动方式[10,11],即强激光直接烧蚀材料表面的方式产生冲击波并对样品进行加载;利用特定设计的连续相位板(CPP)[7,12]调节加载面大小及均匀性,将强激光束的焦斑匀滑为直径2mm且均匀分布[13].在实际使用过程中,由于C
2、PP束匀滑后焦斑均匀分布的区域仅有1mm左右,且一维加载后产生的冲击波在亚毫米级厚度的金属靶内传输过程中,受边侧稀疏波的影响,会持续变小;冲击波出界面时一维加载区域变得非常小,不利于开展一维加载下材料动态破碎过程.目前解决此类加载技术问题的方法主要包括以下几方面.1)设计直径更大的均匀光斑加载,这也要求CPP刻蚀深度更深,存在设计和加工匹配的难题;同时考虑到刻蚀后光束近场调制造成的光学元件损伤的问题,激光输出能量需要大幅降低;焦斑增大后功率密度进一步降低,这将造成直接驱动的加载压强无法达到预定值.2)设计多
3、个均匀光束在靶面上进行交叠,从而增大光束均匀分布的范围,这一过程对激光瞄准注入精度要求非常高,通常很难达到.3)采用间接驱动方式[6,14,15],可设计直径更大的柱腔加载,这一方面的物理实验开展的较少.间接驱动实验中,激光在黑腔中转换为X射线,进而烧蚀平面靶,因而驱动效率会明显降低.考虑可行性与实验周期,采用间接驱动方式,设计合适的腔型及激光参数开展相关物理实验,为后续实验提供基础.本文主要研究强激光间接驱动金属材料动态破碎过程的加载技术.通过IRAD数值模拟设计实验所需的半柱腔,并通过物理实验获得此腔型
4、下多个激光能量点、脉宽2ns和3ns条件下辐射峰值温度和波形.同时,利用流体模拟方法给出1,2,3ns辐射波形下冲击加载波形.动态物理实验给出峰值辐射温度为138eV下间接驱动加载下层裂的物理图像及自由面速度.经分析,间接驱动的加载一维区达到2mm,平面性优于5%.研究结果为后续物理实验奠定了良好的基础.5学海无涯2实验与理论设计2.1实验设计.实验在神光大型激光装置上完成,实验装置示意图如图1所示.实验利用上四路纳秒激光注入半柱腔中产生X射线并对锡平面靶进行冲击加载;在一定的时间延迟后,利用皮秒激光作用产
5、生微焦点、高能X射线对加载后样品成像[13],并采用成像板（IP）记录图像；同时利用光子多普勒干涉仪(PDV)对界面速度进行诊断[16].高能X射线成像及PDV测速的细节内容已在文献[13,16]中报道,这里不再赘述.实验中半柱腔为Au腔,其直径为2mm,腔长为2mm,注入口直径为0.8mm,腔壁厚为0.04mm.锡靶厚度为0.5mm,光洁表面,表面粗糙度优于0.1µm.为了提高辐射驱动压力,锡靶上表面粘上CH层(薄膜,只含C,H元素),其厚度为10µm.背光靶为Au丝靶,Au丝直径为20µm,长度为0.5
6、mm,Au丝放置于CH基底上.锡靶置于靶室中心(通过靶室的外置基准定位靶室中心的一个点,定义为靶室中心),背光靶置于靶室中心偏北20mm(靶室平面为赤道面,再按实际方位分东西南北向).纳秒激光参数为上四束激光,激光波长为0.351µm,脉宽为3ns或2ns,CPP束匀滑后焦斑直径为0.45mm,实验中每发次激光能量均实测,数值在800—4800J范围内,纳秒激光注入黑腔中.皮秒激光频率为1.06µm,脉宽为10ps,能量为450J,聚焦光斑F50µm,注入丝靶中心.皮秒激光与丝靶相互作用会产生微焦点、高能X
7、射线[13,17,18],能段范围为50—200keV,前期实验表明F20µm丝靶产生X射线可用于高空间分辨成像,成像空间分辨在20µm左右.典型发次的动态诊断实验中,纳秒激光注入时刻提前皮秒激光600ns.2.2理论设计.主要采用IRAD方法模拟激光注入黑腔的辐射温度和辐照均匀性[19],模拟的半柱腔直径为2mm,腔长为1.0,1.5,2.0,2.5mm条件下样品处的辐射场分布;模拟使用的激光参数为总能量6000J(以当时激光输出最大能量为输入条件,获取该腔型下最高的峰值辐射温度)、波长为0.351µm、
8、脉宽为3ns、入射角度为50°.Multi流体软件模拟不同辐射波形下冲击加载波形,模拟的辐射峰值温度为140eV,脉宽分别为1,2,3ns,输入的辐射波形为实测辐射波形中取几个特征点,输入的靶参数为锡靶,其厚度为0.5mm.3结果5学海无涯3.1辐射烧蚀均匀性的模拟优化.利用IRAD软件模拟半柱腔直径为2mm、不同腔长下样品处峰值辐射温度分布,结果如图2所示.在腔长为1mm条件下,辐射温度分布图上显示4个局域高温
