飞秒激光在金属材料中驱动冲击波的特性研究

利用激光引起的冲击波对材料冲击加载，是研究超高应变率载荷下材料动态力学性质和断裂性质的主要途径之一。与其它加载手段相比，飞秒激光驱动冲击波具有压力高、脉宽更短以及较易实现的特点，能够作为超高应变率下材料冲击波物理研究的可能加载手段，对于材料高压状态方程及天体物理等研究领域有重要意义。.本项目旨在建立飞秒激光加载方法，发展飞秒激光驱动冲击波剖面的测量技术，给出飞秒激光驱动冲击波宽度以及压力幅值等与激光特征参数之间的关系，研究飞秒激光在金属材料中驱动冲击波的传播、衰减特性；采用分子动力学方法对飞秒激光驱动冲击波过程进行数值模拟研究。为飞秒激光驱动冲击波作为加载研究手段奠定基础。

本项研究旨在探索飞秒激光这种脉宽极短的特殊激光在金属材料中驱动冲击波的物理过程及其动态测量方法。通过理论分析初步明确了飞秒激光在金属材料中驱动冲击波的物理机制。在物理分析的基础上开展了基于极限脉冲的频域干涉方法的理论及数值建模分析并搭建了频域干涉测量光路。采用极限脉冲的频域干涉测量方法开展了飞秒激光在铝材料和铜材料中驱动冲击波的实验研究，成功测量得到金属自由面位移历史曲线以及自由面运动速度，对飞秒激光在金属中驱动冲击波的特性进行了分析。从实验结果，在金属材料中驱动冲击波的飞秒激光功率密度阈值应在10^14w/cm^2左右，而飞秒激光在金属材料中驱动的冲击波脉宽极窄，仅有几个ps。在实验研究过程中认识到极限脉冲的频域干涉测量方法的局限，并提出了改进方法，也就是采用啁啾脉冲替代极限脉冲作为频域干涉测量中的探测脉冲，避免了多次测量带来的误差。完成了啁啾脉冲频域干涉测量方法的理论分析，解决了干涉条纹解谱的难点。设计并搭建了啁啾脉冲频域干涉测量飞秒激光在金属材料中驱动冲击波的光路。在对飞秒激光在金属材料中驱动冲击波过程的物理分析和实验研究的基础上，提出了双温模型与分子动力学相结合进行建模和分析的数值模拟方法。采用双温模型对电子吸收激光能量并通过声子碰撞将能量传递到离子的过程进行计算，能量达到平衡后采用分子动力学方法计算冲击波形成以及在材料中传播的过程。完成了双温模型计算程序的编写与分子动力学方法的建模。采用实验研究中的相关参数进行了数值计算，得到了飞秒激光在金属材料中驱动冲击波以及在材料中传播的过程。数值计算的结果与实验测试结果较为吻合，验证了对飞秒激光在金属材料中驱动冲击波的物理图像。. 通过本课题理论、实验、测量技术以及数值模拟等研究工作，完成了课题研究目标。但是飞秒激光辐照金属材料并在金属材料中驱动冲击波的物理过程是十分复杂的，其测量诊断方法对时间分辨率和空间分辨率的要求极高，对这一问题的研究还需要许多深入细化的理论和实验工作。