基于超快椭偏仪的瞬态冲击响应测量理论与方法研究

Shock wave loading is an important technique to create extreme conditions such as high temperature, high pressure, and high strain rate, etc. in materials, which is of great importance to the research fields of material physics, weapon and geological science. Traditional measurement techniques can only measure the displacement or velocity of the shocked surface, which is not capable of capturing the internal status changes in the shocked material. Therefore, these methods cannot completely obtain the dynamic responsive characteristics of shocked material. Thereby, we propose to utilize the ultrafast chirped laser pulse as the probing source instead of the incoherent source in a traditional ellipsometry to enable the pico-second time resolution in ellipsometry parameters measurements, and further to launch the exploratory research on metrology of shock-induced transient responses based on the ultrafast ellipsometry technique. The mechanism of shock wave and material interactions, the measurement principle of transient dynamics due to shock, the robust extraction and uncertainty analysis of shocked material optical properties and dynamic parameters, and corresponding experiments, will be investigated, with emphasis on the importance of ultrafast ellipsometry parameters measurements in the research of shock-induced dynamics. The proposed research will provide fundamental principles for shock-induced response process measurement based on ultrafast ellipsometer. It is expected to enrich the academic research on fundamental theory of applied optics and optical precision measurement, and consequently to promote the perfection and development of precision measurement technique under extreme conditions in China.

冲击波加载是在材料内部产生高温、高压、高应变率等极端条件的重要技术手段，对材料物理、武器和地球科学等领域研究具有重要意义。传统基于干涉的超快测量技术只能测量冲击面位移或速度，无法测量材料内部状态的变化历程，从而无法完整地获得材料在冲击波作用下的动力学响应特性。为此，本项目提出以超快啁啾脉冲激光作为探测光源代替传统椭偏仪的非相干光源，使之具有皮秒时间分辨率的椭偏参数测量能力，进而开展基于超快椭偏的动力学测量理论与方法探索性研究。强调超快椭偏参数测量在冲击动力学研究中的重要性，重点开展冲击波和材料相互作用机理、瞬态冲击动力学测量原理、冲击波作用下材料光学特性参数与动力学参数的鲁棒提取和不确定度评估方法、以及相关实验研究。通过这些探索性研究，为深入认识和解释基于超快椭偏仪的瞬态冲击响应测量提供理论基础，进而丰富应用光学和光学精密测量基础理论的学术研究，推动我国极端条件下精密测量技术的完善和发展。

椭偏仪是一种用于纳米薄膜材料光学特性表征与膜厚测量的重要测量设备，具有非破坏性、超高灵敏度、无需参考物等优点。但是，其单次测量时间通常大于数秒，难以满足动态冲击过程测量中超高时间分辨的要求。以干涉测量为基础的测量手段虽然能够通过利用超短脉冲激光实现材料冲击过程超高时间分辨率的动态测量，但其只能测量冲击波速度或位移，无法获取受冲击压缩后材料的物性变化。.鉴于此，本项目提出并研制了一种超快椭偏干涉测量系统，其将传统光谱椭偏测量技术与啁啾脉冲频域干涉技术相结合，借由具有啁啾特性的参考偏振光与待测样品表面反射的探测偏振光进行频域干涉，以获得二维相移谱和反射系数谱，结合冲击波在材料中的传播特性和冲击波加载下材料光学属性的理论模型，从而准确重构出冲击波加载下材料的动力学参数和光学常数。在超短脉冲激光诱导冲击波与靶材相互作用正向建模方面，构建了基于双温方程的超快动力学模型，并提出了三维时空场中交替方向型有限差分的数值求解算法，有效获得了靶材内部的动态应力应变场、动态晶格温度与电子温度场、动态反射率和吸收率场。提出了一种基于全局搜索匹配的相移曲线和反射系数拟合算法，准确获取特定物性参数，避免拟合结果陷入局部最小值的伪解阱中，实现了冲击动力学参数和动态光学属性准确逆向提取。针对超快椭偏干涉测量系统的系统参数与配置参数，建立了考虑仪器误差和模型误差的广义误差传播模型，定量评估了所测参数的不确定度，并据此提出了系统测量配置参数的优化方法，确保了所测物理量的准确性与鲁棒性。在此基础上开展了实验研究，实现了超短脉冲激光泵浦冲击波加载下Al靶材的冲击波速度和波后粒子速度、透明聚碳酸酯薄膜的冲击动力学参数和光学常数等物理量的准确测量，阐明了超快椭偏干涉测量系统在极端条件下材料物性研究中的应用潜力，有望作为新的计量手段以推动极端条件下重大科学问题的攻关。