复合含能薄膜在激光驱动飞片技术中的作用机理研究

Technology of laser-driven flyer has been an important tool in loading high pressure physics, and it is also the most important tool in loading pressure of TPa in laboratory.This work include the study of experiment and theory in using composite energetic films as the ablation layer of flyers,and getting the most efficient way for preparating the composite energetic flyers. We will study the temperature and the density rule of laser induced plasma through the emission spectrum.Then, the laser ablation theory will be researched. We will get the results of flyer's velocity and the impacting pressure by photonic doppler velocimetry and PVDF films. By simulating the process of laser accelerating flyers, the theory of flyers driven by laser induced plasma will be revealed. This work will be very important for completing the basic data about laser-driven flyer technology, accelerating the velocity of flyers,improving the applications of this technology in high pressure physics, astrophysics, materials sciences, and ultrafast ignition of explosives areas.

激光驱动飞片技术已经成为一种重要的动高压加载技术，是目前产生几太帕动高压最重要的实验室初始能源。本项目针对激光驱动飞片技术，开展将复合含能薄膜用于激光飞片靶发射层的实验和理论研究，包括研究复合含能薄膜飞片靶的最佳工艺制备条件，开展复合含能薄膜飞片靶的激光烧蚀机理研究，利用发射光谱法研究激光等离子体的特性规律。将激光Doppler测速技术应用于激光飞片的速度测量中，使用PVDF应力计测试飞片冲击压力，探讨激光和飞片厚度等参数的优化匹配。模拟激光等离子体对飞片的驱动过程，揭示激光等离子体驱动飞片的机理。该项目对于补充激光驱动飞片技术的基础数据，探索在已有技术基础上提高飞片速度的新方法，推动激光驱动飞片技术在高压物理学、空间碎片科学、材料微成型以及炸药的快速起爆等领域的应用具有重要意义。

激光驱动飞片技术已经成为一种重要的动高压加载技术，是目前产生几太帕动高压最重要的实验室初始能源。本项目针对激光驱动飞片技术，开展了将复合含能薄膜用于激光飞片靶发射层的实验和理论研究。利用真空磁控溅射技术制备了CuO/Al/Al2O3/Al、MnO2/Al/Al2O3/Al 和TiO2/Al/Al2O3/Al等3种复合飞片，通过SEM、XRD、DTA等检测手段对复合薄膜的结构进行表征。研究了CuO/Al、MnO2/Al和TiO2/Al等复合薄膜厚度比和调制周期对CuO/Al/Al2O3/Al、MnO2/Al/Al2O3/Al 和TiO2/Al/Al2O3/Al等复合飞片速度的影响，研究了调制周期对激光诱导CuO/Al、MnO2/Al和TiO2/Al复合薄膜等离子体特性的影响。制备结果表明：随着薄膜厚度的增加，薄膜团聚现象增加，薄膜颗粒尺寸增大；复合薄膜不同材料膜层的分界面清晰可见，具有明显的层状结构。热分析结果表明：CuO薄膜和Al薄膜纳米尺度越小，层界面接触面积越大，第一放热峰放热量越大且在总放热量中的占比越高。运用PDV测速技术测量复合飞片速度，结果表明：在一定激光能量密度范围内，将反应性薄膜CuO/Al作为复合飞片的烧蚀层材料，能显著提高飞片速度；在烧蚀层膜厚一定时，采用调制周期较小的反应性复合薄膜作为烧蚀层材料不仅能提高飞片速度，而且有助于提高飞片加速度。复合薄膜等离子体结果表明：在一定条件下，CuO/Al、MnO2/Al复合薄膜等离子体电子温度存在一个最佳激光能量阀值；CuO/Al、MnO2/Al复合薄膜中Al2O3介面层对反应性复合薄膜等离子体特性具有重要影响。3个调制周期的TiO2/Al复合薄膜测得的激光等离子体电子温度比1个调制周期的TiO2/Al平均高出2000K。实验首次系统研究分析了反应性复合薄膜厚度比和调制周期对激光驱动飞片性能的影响，发现多调制周期的TiO2/Al薄膜可以明显增强激光致等离子体的电子温度，增幅约为17.8%~20%；一定激光能量密度范围内，CuO/Al、TiO2/Al薄膜可以使复合飞片的速度得到一定幅度提高，最高提升15%。该研究成果为今后反应性复合薄膜在复合飞片中的应用奠定了基础，对降低激光飞片换能元的输入能量，提高激光飞片换能元的能量转化效率有着十分积极的意义。