极薄金属膜层在冲击压力下的瞬态光反射透射特性研究

The light transmission characteristics of metal film are determined by conductivity, dielectric constant and other property of metal as well as film thickness. Under shock pressure, conductivity, dielectric constant, film thickness, etc. of the metel film will be changed, therefore the light transmission characteristics will also be changed. Studying the light transmission characteristics of metal film under shock pressure is helpful to develop a new method for shock pressure measurement. It is able to diagnose the pressure profile of shock front with ultrahigh temporal resolution, especially when the film thickness is of nanometer magnitude. .In this project, we will study the light transmission characteristics of metal film made of different materials and with different thicknesses (5nm～50nm) under shock pressure both theoretically and experimentally. It includes to build theoretic model, to prepare metal film samples, to perform shock loading experiments, to establish empirical formula from experimental data, and to analyze it with theoretic model. Furthermore, we will develop a diagnostic system with ultrahigh temporal resolution and perform ultrafast shock front diagnostic experiments to obtain shock front rise-time, etc.

金属膜层的光传播特性由金属的电导率和介电常数等物理性质以及膜层厚度等参数决定。在冲击压力作用下，电导率、介电常数和膜层厚度等发生变化，导致光反射透射特性变化。研究金属膜层在冲击下的光传播性质，可提供一种新的冲击压力测量方法，特别是当膜层厚度仅有纳米量级时，有可能提供一种诊断冲击前沿压力剖面的超高时间分辨测量技术。. 该项目将从实验和理论两方面研究不同材料不同厚度的极薄金属膜层(5nm～50nm)在冲击压力下的瞬态光反射透射特性，建立理论模型，制备金属膜层样品，开展冲击加载实验，利用实验数据建立经验关系式并与理论模型相互校验；此外，还将搭建超高时间分辨诊断系统，开展超快的冲击前沿诊断实验研究，获取冲击前沿的上升时间等参数。

研究极薄金属膜层在冲击压力下的瞬态光反射透射特性，有可能提供一种超快的冲击压力诊断技术，并有助于在微观层面研究冲击波精细结构。.本项目首先利用传输矩阵法建立了包括金属膜及其两侧介质在内的多层介质的电磁波特性理论模型，然后建立金属膜折射率和冲击压力关系的两种理论模型，包括基于自由电子气体的理论模型和基于第一性原理的理论模型。根据建立的理论模型，进行了数值模拟和仿真计算，发现对于极薄金属膜，压力下厚度的微小变化将导致光反射率和透射率的明显变化。.项目制备了极薄金属膜样品，膜层厚度介于3 nm到30 nm之间，利用原子力显微镜对膜层形貌特征和粒度特性进行了观测，膜层的平整性和均匀性较好；对金属膜层的静态光反射透射特性进行了测量。.根据加载方式的不同发展了两种超快诊断技术，一是共焦光路探测系统，用于在轻气炮等同步性难以精确控制的加载装置上开展反射率变化的连续测量，捕获瞬态信号。另一种采用飞秒激光作为加载光和探针光，建立了基于并行相干快门的8幅超快相干选通成像测量光路，实现了幅间隔500 fs、每幅曝光时间小于100 fs的时间分辨，可在一发实验中以极高时空分辨获取8个时刻的光信息。.获得了冲击加载下极薄金属膜的反射率随冲击压力变化的实验数据，以及压力下不同厚度金属膜的反射率变化，观察到当压力高于一定值时极薄铝膜反射率变化时间随膜厚减小而减小，观察到冲击前沿的上升时间小于40 ps。实验结果表明通过测量极薄金属膜的反射率变化，开展冲击波的超快诊断是可行的。.项目还发展了一种新型干涉测速技术。利用飞片表面反光、金属膜基底表面反光和金属膜反光之间的干涉，不用搭建专门的干涉测速系统就获得了比采用干涉测速系统更丰富的信息。实验验证了一种潜在的金属介质复合膜冲击压力传感器技术，传感器的反射光强曲线反映了熔石英材料中冲击波传播的斜波特征，表明可以通过测量金属介质复合膜的反射光强变化测量冲击压力。