含能薄膜的激光烧蚀机理及其在激光驱动中的增强效应

Laser-driven technology has been an important dynamic high pressure loading method. Our advance research results shows that, as the ablation layer of laser-driven flyer, energetic composite films can obviously improve the velocities of flyers by 10%. But there are many basic problems about the mechanism of laser interaction with energetic films and its effects, which is a absolute new technology. So we want to carry out a series experiments to study the laser ablation on energetic films. Firstly, nano energetic films are prepared by megnetron sputtering. The interfaces of layer-to-layer and particle phase structures would be observed by electron scan microscope. Secondly, the plasma emission spectra would be researched by ICCD, PDV and other instruments. Then, the influence of energetic films on the laser-induced plasma will be obtained. Thirdly, a model of molecular scale reactions, based at density functional theory, will be carried out to analyse the influences of interfaces and molecular dynamics on the properties of reactions between laser and films. In the last, we will get the mechanism of laser interaction with energetic films, which could be used for explaination and guidance for the application of laser-driven energetic flyers.

强激光驱动飞片技术已经成为一种重要的动高压加载技术。前期研究表明，将复合含能薄膜用于激光飞片靶发射层可以有效的将飞片速度提高约10%，但是激光烧蚀含能薄膜介质机理及相关效应的研究属于一个新的领域，有许多基础性问题有待探讨。本项目针对激光驱动复合含能薄膜技术，系统开展激光烧蚀含能薄膜介质的实验和机理研究，开展纳米含能薄膜的稳定化制备技术，探讨其层-层界面结合稳定性与粒子相结构，利用瞬态发光光谱、光声谱、激光光压测试、光子多普勒测速等多种手段，开展激光致含能薄膜等离子体的光谱和压力特性研究，获得含能薄膜结构对高温高压等离子体流场特性的影响规律，采用密度泛函理论从分子尺度阐述反应动力、反应界面等因素对激光辐照下纳米含能薄膜反应性能的影响，揭示含能薄膜在激光辐照下的物理和化学行为，最终获得激光与含能薄膜介质的相互作用机理，为含能薄膜在激光驱动飞片技术中的应用提供可靠数据和理论指导。

针对复合含能薄膜在激光辐照下的能量释放特性与机理开展了一系列研究，包括纳米含能薄膜的稳定制备工艺与表征、含能薄膜在激光辐照下的微观反应机制、含能薄膜的能量释放对等离子体流场影响效应以及激光驱动含能飞片的冲击动力学特性等内容。具体如下：.利用磁控溅射法制备了单层Al膜和Al/MnOx 和Al/Ti典型复合含能薄膜，结果显示：薄膜致密性和均匀性良好。Al膜和Ti-Al、MnO2-Al复合薄膜的发射光谱结果说明，在同等激光能量下，对于Al/Ti复合薄膜和Al/MnOx复合薄膜，调制周期越小，等离子体电子温度越高，因为调制周期小有利于含能薄膜的快速化学反应。.高速摄影研究证实，Al/Ti的激光烧蚀持续时间长于相同调制周期Al/MnOx，且烧蚀强度都明显高于Al膜，如119.0mJ，(Ti-Al)Ⅱ和(MnO2-Al)Ⅱ薄膜烧蚀持续时间大于174μs，而Al膜烧蚀时间仅持续约165μs。(MnO2-Al)Ⅳ复合薄膜烧蚀持续时间小于(MnO2-Al)Ⅱ和(MnO2-Al)Ⅲ，(Ti-Al)Ⅳ烧蚀持续时间小于(Ti-Al)Ⅱ和(Ti-Al)Ⅲ，说明调制周期越小，反应越快。超高速图像还发现Al膜的等离子体成长期为240ns，(MnO2-Al)Ⅳ为400ns，(Ti-Al)Ⅳ为500ns。说明(MnO2-Al)Ⅳ、(Ti-Al)Ⅳ复合薄膜的反应性高于单层Al薄膜，且复合薄膜对激光等离子体具有增强效应。.采用LAMMPS分子动力学程序对铝热反应和合金化反应进行了分子动力学模。研究认为：Al/Ni合金体系在绝热条件下发生了自持放热反应；层状结构较大的的Al/Ni纳米体系绝热温度高于较小的Al/Ni体系；铝热反应发生的临界温度在510k-580k之间；随着初始反应温度的升高，反应时间缩短；随着反应进行，Al-NiO体系温度升高，O原子气化，反应达到终点。从飞片测速结果来看，具有六层交替结构烧蚀层的含能冲击片对速度的增强效果最佳，说明小周期的含能薄膜对等离子体冲击波压力的贡献最大。研究结果意味着采用铝热薄膜和合金化薄膜作为换能元后，可以进一步降低激光飞片换能元的发火阈值，同时降低发火系统对于激光器的能量需求，故研究结果对于推动激光飞片起爆技术的工程化应用进度具有重要意义。