激光驱动飞片的动量耦合模型研究

激光驱动飞片技术在动高压加载和模拟空间高速粒子运动规律等实验中有重要的应用价值。而激光与飞片的动量耦合模型研究是激光驱动飞片技术的重要内容之一,其实质是激光与物质的作用规律的宏观表征。以激光支持爆轰波（LSDW）理论为基础,建立了约束条件下激光驱动飞片的动量模型,模型考虑了激光功率密度、脉宽、聚焦焦斑、侧向稀疏波、飞片表面气体参数、飞片面积等因素的影响,比较全面地反映了LSDW对飞片的力学作用特性,理论计算结果与参考文献结果吻合较好,误差不超过25%。     

激光驱动飞片加速特征分析

在激光驱动飞片研究中,飞片的加速特征是需要认识的关键问题之一。设计了强激光作用金属膜驱动飞片实验,采用聚偏氟乙烯（PVDF）压电薄膜测量了飞片到达不同距离的时间,计算得到飞片速度和加速度,分析激光能量对飞片加速性能的影响。基于Gurney能理论,建立了激光驱动飞片速度的计算模型,根据实验结果获得了激光能量损失系数和有效吸收系数,分析了激光能量和膜体厚度对飞片速度的影响。实验结果表明：不同激光能量下飞片的加速特征基本相似,激光能量变化对飞片的加速时间影响较小; 激光能量较大的情况下,膜体厚度对飞片最大速度、能量耦合系数的影响更显著; 当膜体超过一定厚度时,能量耦合系数不再增加。     

光纤传输激光驱动飞片实验研究

构建了一种基于光纤传输高功率激光的飞片发射系统,并测试了飞片速度.飞片膜层为三明治结构:铝烧蚀层、氧化铝隔离层和铝飞片产生层.飞片膜层采用磁控溅射技术沉积在玻璃衬底上,总厚度为5.5 μm.激光辐照铝膜层产生高温高压等离子体,驱动剩余膜层产生高速飞片,速度达数km/s.同时,实验研究了光纤传能系统的输出激光空间分布特性和传输激光能量容量,它们决定了飞片的平面性和最大速度.光纤端面损伤是限制光纤传输激光能量容量的关键因素,光纤端面通过精密机械抛光和激光预处理可以获得理想的抗激光损伤能力.采用基于光纤阵列探针的时间序列测试技术获得了飞片的平均速度,并评估了飞片的平面性.采用搭建的基于光纤传输高功率激光的飞片发射系统获得了速度达1.7 km/s、直径接近1 mm的高速飞片. 关键词： 激光驱动飞片 激光辐照 光纤阵列探针 激光等离子体     

激光驱动飞片超高速发射技术实验研究

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1 064 nm、脉宽10 ns、能量835 mJ的激光使厚度5 μm、直径1 mm的铝飞片的发射速度达到10.4 km/s。大大提升了对微米级空间碎片速度的发射能力。     

激光驱动飞片过程中激光烧蚀深度的计算

利用激光体烧蚀模型,数值模拟了激光驱动飞片的加速过程,包括激光的吸收和飞片的速度历史等。在光强为GW/cm2量级的激光作用下,激光烧蚀产生的等离子体的流体力学运动可用改编的1维Lagrange流体力学计算程序SSS来描述。通过计算得到不同激光能量下的飞片密度剖面,由此给出金属薄膜的烧蚀深度与实验测量值进行比对,二者符合得较好。     

激光作用复合膜体驱动飞片的理论计算和实验研究

采用Gurney理论,建立了激光作用复合膜体驱动飞片的理论计算模型。通过修正膜体材料的激光能量吸收系数,对激光作用复合膜体结构形成的飞片速度进行计算,分析了膜体材料和结构组成对飞片速度的影响,确定了形成高速飞片的复合膜体结构。进行了强激光作用复合膜体驱动飞片实验,采用压电薄膜测量了飞片到达不同距离的时间,计算得到飞片的速度和加速度。结果表明:不同激光能量作用下复合膜体飞片的加速特征基本相似,激光能量的变化对飞片加速时间的影响较小,飞片速度随着光爆层厚度的增加呈先增大后减小的趋势;对应于不同的激光能量,光爆层存在最优能量吸收厚度。     

二级装药强爆轰驱动次级飞片的分析

 对二级炸药/飞片爆轰系统产生高速度飞片的需求背景作了介绍。在平面一维假定下,应用气体动力学的一维推体公式和推广的Gurney公式对次级飞片的速度进行了计算。在初级炸药和末级飞片厚度一定的条件下,对二级炸药/飞片爆轰系统的几何参数选取进行了优化分析,给出了爆轰系统驱动飞片的算例,与数值模拟结果和实验测量结果进行了比较,证实了经验公式的合理性。并对如何提高两级飞片的速度及平面度问题进行了探讨。     

激光驱动含能复合飞片速度特性

采用真空磁控溅射方法制备了CuO/Al2O3/Al,(CuO/Al)Ⅱ/CuO/Al2O3/Al,(CuO/Al)Ⅷ/Al2O3/Al三种复合飞片,利用激光共聚焦显微镜和扫描电镜对复合飞片进行表征,结果表明,不同材料膜层的分界面清晰可见,复合薄膜的表面结构致密,颗粒基本尺寸可以达到nm级,均匀性好。利用光子多普勒测速技术对三种复合飞片速度进行测量,结果表明:将飞片靶放置在空气电离点偏前的位置(入射激光方向),增大聚焦光斑,能改善激光电离空气引起的能量屏蔽作用;含能烧蚀层CuO/Al的存在,有助于提高飞片速度。在含能薄膜烧蚀层厚度一定的情况下,增大周期、减小每层薄膜厚度,有助于提高含能薄膜反应程度,减小飞片上升沿时间。在同等激光能量密度下,(CuO/Al)Ⅷ/Al2O3/Al的上升沿时间低于(CuO/Al)Ⅱ/CuO/Al2O3/Al。     

激光驱动含能复合飞片速度特性

采用真空磁控溅射方法制备了CuO/Al2O3/Al,(CuO/Al)Ⅱ/CuO/ Al2O3/Al,and (CuO/Al)Ⅷ/ Al2O3/Al三种复合飞片,利用激光共聚焦显微镜和扫描电镜对复合飞片进行表征,结果表明,不同材料膜层的分界面清晰可见,复合薄膜的表面结构致密,颗粒基本尺寸可以达到nm级,均匀性好。利用光子多普勒测速技术对三种复合飞片速度进行测量,结果表明：将飞片靶放置在空气电离点偏前的位置(入射激光方向),增大聚焦光斑,能改善激光电离空气引起的能量屏蔽作用;含能烧蚀层CuO/Al的存在,有助于提高飞片速度。在含能薄膜烧蚀层厚度一定的情况下,增大周期、减小每层薄膜厚度,有助于提高含能薄膜反应程度,减小飞片上升沿时间。在同等激光能量密度下,(CuO/Al)Ⅷ/ Al2O3/Al的上升沿时间低于(CuO/Al)Ⅱ/CuO/Al2O3/Al。     

激光驱动飞片三中阶靶模型的分析：用于状态方程的绝对测量

We present the numerical calculation of the model of aluminum flyer-vacuum-target with high power laser driving.The results show that the parameters of laser and target's structure have great effects on the state of flyer and the character of shock-waves in the target.If we select the parameters of laser and target's structure reasonably, we can achieve approximately symmetric impact between flyer and target;moreover,the shock-wave in the target has a stable area with a certain spatial width.So,if we choose the three-step-target with a suitable thickness,we can approach an absolute measurement of equation-of-state.     

激光辐照均匀性与相息相位板计算研究

分析激光聚变中的辐照均匀性(光滑化)原理和方法,对相息相位板(KinoformPhasePlateKPP)进行理论分析和计算研究。结果表明,最佳集能效率可到96%,最小的不均匀性可到14%。对我国激光聚变中的辐照均匀性提出一些看法。     

悬摆法测量气体推进剂激光推进冲量耦合系数

 给出了悬摆法测量激光推进冲量耦合系数的原理,分别以空气、氩气、氮气和氦气为推进剂,用悬摆法测量了抛物形推力器在能量不同的单脉冲TEA CO₂激光辐照下的冲量耦合系数。实验结果表明：氩气的冲量耦合系数最高,氦气的冲量耦合系数最低;在实验测试的激光能量范围内,4种推进剂气体的激光推进冲量耦合系数基本上都随着激光能量的增加而线性增大,冲量耦合系数的相对误差为5.4%~6.4%。实验结果与国外相关实验结论一致。     

激光脉冲重复频率对冲量耦合系数的影响

 设计了触发间隔从100 ms到5 ms可调的双脉冲触发器驱动TEA CO₂激光器高压开关，用以模拟激光器不同的输出脉冲重复频率。用该装置精确控制的不同激光脉冲重复频率下，对抛物面型光船模型进行了大气模式激光推进中冲量耦合系数的实验研究。发现冲量耦合系数随着重复频率的增加而下降，而单位时间内光船获得的冲量耦合系数的增量则随着重复频率的增加而增大。初步分析认为，这是由于飞行器内的空气未得到充分的补充造成的。     

The ALP-PALS project: optimal coupling for laser propulsion

Ablative laser propulsion (ALP) could revolutionize space travel by reducing the 30:1 propellant/payload ratio needed for near-earth orbit 50-fold. Experiments to date have demonstrated the necessary efficiency, coupling coefficient, and specific impulse for application, but were performed at pulse energies and spot sizes much smaller than required and at wavelengths not usable in the atmosphere. Prior experiments have also not simultaneously measured the properties of the ions produced or of the ablated surface, properties that would allow full understanding of the propulsion properties in terms of ion characteristics.

The first realistic measurements of laser propulsion parameters are proposed using PALS (Prague Asterix Laser System), the important parameters of which (pulse energy (～ 1 kJ), pulse length (400 ps), beam diameter (～ 29 cm), and flat beam profile) equal those required for application. The PALS wavelength is a little short (1.3 μ m vs.>1.5 μ m) but is closer than any other laser available and PALS’ 2ω/3ω capability should allow extrapolation to application values. The PALS’ proven infrastructure for measuring laser-driven ion properties means that only a ballistic pendulum for measuring momentum transfer will have to be added.     

激光对运动圆柱体加热的几何学研究

 当激光无论从地面或是从空中辐照运动的圆柱体时，都涉及到入射激光相对于圆柱体的辐照方式。在一定假设下，导出了激光对抛射圆柱体表面加热时圆柱表面热加载功率密度分布公式，并结合一理想情况，针对光束入射角度因子、光斑中心的偏移、光斑形状的变化进行了解析计算分析。分析表明，即使圆柱体本身不做自转，圆柱体表面的光强分布中心也会发生偏移，分布也会发生变化，尤其沿圆柱体轴向的分布变化较大，必须结合实际加以细化研究。     

四种磁绝缘传输线的横向空间电荷流

根据电磁场基本理论及电子运动守恒方程，导出平板、圆柱、圆锥和圆盘这4种常用传输线的横向空间电荷流的数值模型和磁绝缘临界条件。通过数值模拟得到:传输线的电压越高，无磁场的横向空间电荷流越大，但是磁缘性能却越显著；若分别增大圆柱、圆锥的几何结构因子，既有助于减小它们的无磁场横向空间电荷流又有助于增强它们的磁绝缘性能；对于圆锥，若电极夹角较大，内电极的极角较小，则对减小无磁场空间电荷流和增强磁绝缘性也有一定好处。     

影响激光加热运动圆柱体的加热线型的分析

 采用几何分析的方法研究激光加热运动圆柱体的过程，在说明加热线型的概念和意义后，讨论了在地平面上各点处所具有的加热线型的时间宽度，从而指出，为了激光有效加热运动圆柱体，激光器应当怎样在地平面上放置的原则。即根据激光器有效工作时间与圆柱体抛射时间的比例关系选择一定的相对时间宽度等值线，以此等值线为界在地平面上划出一有效区域，并从中选取距离轨道最近的点作为激光器的放置点。当考虑大气对激光的衰减作用时，激光以小于一定入射角阈值进行动态加热的总能量将出现极大值，在此处放置激光器最有利于动态加热。     

A pulse-train laser driven XUV source for picosecond pump–probe experiments in the water window

We describe the development of a table top soft X-ray source based on a laser produced plasma. The plasma is produced by a Nd:YLF pulse-train laser which delivers pulse trains of up to 400 pulses each of about 25 ps duration. Number and energy of the micropulses are fully computer controlled adjustable for an optimum interaction with a rotating solid target. Spectral, spatial and temporal characteristics of the X-ray emission from Mylar and copper targets have been studied. A calibrated back-illuminated CCD camera together with a slit grating spectrograph were utilized for the measurement of the absolute soft X-ray photon fluxes. The temporal measurements were performed using a streak camera while the plasma size was measured with a zone plate. An application of the system in a X-ray absorption experiment is shown. The advantages of the system in view of possible optical pump and soft X-ray probe experiments will be discussed.     

模拟 ps激光驱动的类氖锗19.6 nm X光激光

 瞬态电子碰撞激发产生X光激光的机制可以极大减少X光激光的泵浦能量。模拟了脉宽为1 ps,波长1.053 μm的钕玻璃激光驱动的类氖锗X光激光。模拟表明,在临界面附近可以产生高达60 cm ^-1的增益,还计算了X光激光在等离子体中的传播,计算表明X光激光在等离子体中的折射效应仍然是影响X光激光输出强度及分布的重要因素。