α-石英晶体的超快激光激波冲击相变实验研究

将分别以脉冲宽度为飞秒、皮秒和纳秒的超快激光脉冲为光源，利用闪光高速摄影技术实时在线观测超快激光激波在铝膜和α-石英晶体材料中的产生、传播过程，同时获得超快激光激波在这两种材料中所产生的微区动高压、高温的数值。本项目研究工作所建立的实验方法和技术将解决材料冲击动力学研究领域中迫切需要解决的冲击压力和温度的测量问题。我们还将利用微区－喇曼光谱和高分辨透射电子显微镜等技术对激波冲击作用后的α-石英晶体材料进行物性测试分析研究，探索α-石英晶体材料及其微观结构对超快激光激波冲击作用的动力学响应规律。本项目的预期研究结果可用于地表柯石英的形成等重要科学问题的研究，因此，本项目的研究工作具有重要的科学意义。此外，超快激光激波在材料中所产生的瞬态高压和高温条件，被认为是实验室模拟陨石撞击地球过程和物质高速碰撞的有效方法，因此，本项目的研究工作还具有重要的技术价值。

自行设计、搭建并完善了超快激光激波闪光高速摄影实验研究平台，通过对样品结构所进行的设计和优化，在不同厚度铝膜样品（厚度范围为3微米至10微米）中获得了平面性、稳定性和干净性较为理想的一维平面飞秒激光激波，并对其在铝膜中的感生和传播情况进行了时间分辨超快显微成像实验研究。在此基础之上，利用半经验-半理论的方法同时得到了飞秒激光激波在金属铝膜及其基底α-石英晶体中感生冲击压力和冲击温度的大小，并对超快激光激波冲击作用后的α-石英晶体进行了微区-拉曼光谱等物性测试分析，结果未能发现明显的物相变化。为此，开展了材料冲击动力学响应过程的分子动力学理论模拟研究工作，得出了冲击作用下靶材料的原子结构演变情况和冲击波传播特性。理论模拟的结果表明，高速冲击压缩作用过程中，材料微观结构和物性发生变化的速度是非常快的（约为皮秒的量级），而这种变化在冲击卸载过程中可能发生反转，因此，只有对超快激光激波冲击作用过程中的样品材料进行实时在线的超快时间分辨光谱测量，才有可能对材料微观结构和物性的冲击动力学响应情况有所了解和掌握。