[发明专利]一种激光驱动非金属飞片的方法及实现装置

说明书

技术领域

本发明涉及等离子体驱动加速技术领域，尤其涉及一种激光驱动非金属飞片的方法。

背景技术

自从激光器诞生起，人们就开展了激光与材料相互作用的广泛研究。20世纪90年代初，人类首次提出了激光驱动的概念，即利用激光推动物体高速飞行。随后，激光驱动飞片技术也逐渐被发现。

激光驱动飞片是一种动高压加载技术，其物理基础是强激光辐照引起靶材的气化和烧蚀。20世纪80年代D.L.Paisley首次低能量激光脉冲实现对铝和铜的驱动，是激光驱动飞片的先驱；1990年，W.M.Trott突破以往大气传输的局限使用光纤传输方式驱动铝膜；2001年，D.L.Paisley等利用美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的大能量激光脉冲驱动了如铝、铜、金及钢等金属，扩大了驱动的飞片种类；日本无机材料研究所的贺宏亮博士利用调Q Nd:YAG激光器驱动10μm厚的铝膜，获得高达13kmps的速度。国内，孙承纬、谷卓伟等人利用小型脉冲激光器驱动铝膜开展了一系列实验。

激光驱动飞片技术具有成本低、装置简易等优良特点，所以有广泛的应用前景。利用激光驱动高速飞片冲击引爆炸药等可应用于武器安全起爆系统；利用激光驱动飞片技术开展实验室模拟太空高速微粒进而研究空间飞行器防护结构等。

然而，目前激光驱动飞片技术只局限于驱动金属飞片，其应用于空间碎片地面模拟不足以等效于真实的空间碎片环境。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种激光驱动非金属飞片的方法及其实现装置，弥补了当前激光驱动飞片只能发射金属粒子的缺陷，实现了非金属粒子发射。本发明激光驱动非金属飞片的方法是在现有激光驱动技术基础上产生的，适用于目前已开展激光驱动飞片技术各个领域。

为了解决上述技术问题，本发明一种激光驱动非金属飞片的方法予以实现的技术方案是：将激光器产生一束激光入射到沉积在一光学玻璃上的烧蚀层，使烧蚀层材料瞬间蒸发、气化和电离，产生高温高压的等离子体，由于受光学玻璃的约束，等离子体产生的高压冲击波作用在烧蚀层另一面上、且位于入射区前面的一非金属薄膜上，从而将剩余的非金属薄膜剪切，并将其以高速驱动，从而形成超高速飞片。

利用上述激光驱动非金属飞片的方法实现激光驱动非金属飞片的装置是，采用脉冲宽度为纳秒和皮秒量级的激光器作为发光源，该激光器发射的激光先经过一聚光镜形成一束光，在一束光的投射方向上放置有一光学玻璃，该光学玻璃的背面依次设有烧蚀层和非金属薄膜，所述烧蚀层由反射率小于10％的物质构成。

进一步讲，上述激光驱动非金属飞片的装置，其中，所述烧蚀层的材料为Al、炭黑、Ha、Ti和Ge。

所述烧蚀层的厚度m为：其中，A：烧蚀层材料的原子量；Z：等离子体的平均电离电荷；I：入射激光能量密度，单位为W/cm²；λ：入射光波长，单位为nm；τ：激光脉宽，单位为ns。所述非金属薄膜厚度d为：d＞V_cβτ；其中，V_c：冲击波在基底材料中的传播速度，单位为m/s；τ：激光脉宽，单位为ns；β为常数，取4～6。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的激光驱动非金属飞片的方法弥补了当前激光驱动飞片只能发射金属粒子的缺陷，实现了非金属粒子发射，可以应用在高压物理学、空间科学、材料微成形技术和炸药快速起爆等领域。如在空间科学中采用激光驱动飞片方式模拟空间碎片环境时，通过交替使用飞片材料而达到等效碎片环境的目的。

附图说明

图1本发明一种激光驱动非金属飞片的方法的光路原理图；

图2是本发明中复合飞片靶4的结构示意图；

图3是运用本发明方法后，撞击靶材损伤形貌；

图4是撞击靶材损伤部位元素分布曲线图。

图中：

1-激光器，2-两互相垂直的反射镜，3-聚光镜，4-复合飞片靶，41-光学玻璃，42-烧蚀层，43-非金属薄膜，5-撞击靶。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图2所示，本发明一种激光驱动非金属飞片的方法，将激光器1产生一束激光入射到沉积在一光学玻璃41上的烧蚀层42，使烧蚀层42的材料瞬间蒸发、气化和电离，产生高温高压的等离子体，由于受光学玻璃42的约束，等离子体产生的高压冲击波作用在烧蚀层42另一面上、且位于入射区前面的一非金属薄膜43上，从而将剩余的非金属薄膜43剪切，并将其以高速驱动，从而形成超高速飞片。