8km／s激光驅動飛片發射技術實驗研究＊

牛錦超，龔自正，曹 燕，代 福，楊繼運，李 宇

（1.北京衛星環境工程研究所，北京100094；2.五邑大學應用物理與材料學院，廣東 江門529020）

激光驅動飛片技術是20世紀80年代末迅速發展起來的一種新型動高壓加載技術。其原理［1］是在透明約束基底（基底通常選用高阻抗透明材料，如石英玻璃等）上粘貼或沉積一層金屬薄膜制成飛片靶，一束高強度脈沖激光透過基底材料入射到薄膜表面，迎輻照面的部分薄膜材料被燒蝕，瞬間氣化或電離，在薄膜內表面產生高溫高壓等離子體。由于受到基底材料的約束，等離子體產生的高壓沖擊波作用到未燒蝕的固體薄膜上，將薄膜剪切下來形成速度高達幾千米每秒的高速飛片，如圖1所示。激光驅動飛片技術經過二十多年的發展，已經被成功應用于材料物態方程研究、高應變率下材料動態響應特性研究、炸藥引爆技術研究以及空間碎片模擬［2－5］等領域。

在激光驅動飛片技術中，最關鍵的技術指標有2個：（1）飛片的發射速度，其實質是飛片靶的激光能量耦合效率；（2）飛片的平面性和完整性。影響這些指標的因素眾多，如激光光束質量、激光能量、激光脈寬、飛片靶結構、飛片靶制備工藝以及金屬膜層的力學特性等，因此，從理論上研究這一問題很困難。

激光驅動飛片技術實驗探索中，引進約束基底［6］和薄膜沉積工藝［7］以后，激光能量的轉換效率獲得了極大的提升，使得利用較低能量的激光發射高速飛片成為可能。近年來，復合結構飛片靶的廣泛應用促進了激光驅動飛片技術的長足進步［8－12］。K.Okada等［10］用磁控濺射方法制備了結構為Al（2μm）／聚酰亞胺（90μm）／Ta（8μm）的飛片靶，利用波長351nm、脈寬2.5ns、最大輸出能量3kJ的激光驅動了直徑600μm、厚8μm 的Ta飛片，獲得了速度高達23.6km／s且具有良好完整性的飛片。王春彥等［13］、谷卓偉等［14－15］、張文兵等［16］、曹燕［17］先后從20世紀90年代中期開始也開展了高強度脈沖激光驅動飛片技術及應用研究，但飛片（厚5.5μm、直徑0.5～0.8mm 的鋁膜）的最高速度僅為6.6km／s。

圖1 激光驅動飛片原理示意圖Fig.1Schematic of laser－driven flyer plates

本文中，在前人研究的基礎上，實驗研究激光光束特性和飛片靶力學特性對飛片速度和完整性的影響，給出在飛片靶中添加Cr附加層、實現穩定發射8km／s高速飛片的實驗結果。

1 實驗設計

實驗設備布局如圖2所示，激光器為Nd：YAG 調Q 脈沖激光器，工作波長為1 064nm，脈沖寬度為15ns，單脈沖最大輸出能量為2J，初始光斑直徑約為13mm。第1個分光鏡獲得的光束采樣由激光能量計收集，以測量光束能量。第2個分光鏡獲得的光束采樣由光電接受器1收集，用于測量光束的時間譜，由示波器記錄，并確定飛片的發射時間。光束經一焦距為400mm 的透鏡聚焦為直徑約為1mm的光斑，照射在飛片靶的金屬膜層上，驅動出高速運動的金屬飛片。飛片飛行一段時間后撞擊在驗證靶上，通過分析驗證靶的撞擊形貌，確認飛片的完整性。

圖2 激光驅動飛片實驗布局示意圖Fig.2System diagram of laser－driven flyer experiments

圖3 典型的示波器記錄圖像Fig.3 Typical oscillograph picture

He：Ne激光器（波長670nm）發射的片激光設置于飛片的飛行路徑上，與飛行方向垂直。片激光的寬度（飛片飛行方向，也是飛片的厚度方向）約30μm，片激光的高度（飛片直徑方向）約1mm，片激光的能通量由光電接受器2監測。當飛片經過片激光時，進入光電接受器2的光通量下降，在示波器上形成一個下降沿，如圖3所示。因此，可獲得飛片到達片激光的時間。片激光與飛片靶之間的距離事先設定，通過測量飛片的發射時刻和飛片到達片激光的時刻，可計算獲得飛片的平均速度。

2 激光光束特性對飛片完整性的影響

產生飛片是激光驅動飛片技術的前提，但并不是任何激光作用在飛片靶上均能發射出飛片。圖4是在激光能量空間均勻分布和存在強區2種狀態下進行的飛片驅動實驗，其中左圖為激光光束的能量剖面，右圖為驗證靶的飛片撞擊形貌。圖4顯示，當激光能量空間分布均勻（“平頂型”或近“平頂型”）時，飛片撞擊靶板形成一個形狀規則、邊緣清晰的中心撞擊坑，其直徑與輻照光斑相當，說明飛片具有良好的完整性。相反，激光光束空間分布為高斯型或存在強區時，飛片撞擊靶板產生許多小坑，小坑分布區域明顯大于輻照光斑，說明飛片在撞擊靶板前已破碎。上述結果說明，激光能量空間分布均勻的光束更利于發射完整的飛片。這與前人的研究結論［2，17－21］一致。

飛片在驅動過程中破碎是因為激光燒蝕不均勻在飛片中引起的加速度分布梯度和應力分布梯度。當激光能量剖面存在強區時，輻照光斑內飛片的燒蝕極度不均勻，形成巨大的加速度分布梯度和應力分布梯度，導致輻照區內的固態金屬膜層沒有同時飛出，兼或飛出后被很大的應力差撕碎。當激光能量剖面呈“平頂型”時，激光輻照形成平面沖擊波，輻照區內的加速度分布梯度和應力分布梯度較小，飛片整體飛出并在較長時間內保持良好的完整性和平面性。

數值模擬的結果［22］顯示，當激光能量剖面整體呈“平頂型”分布時，飛片的完整性和平面性對能量剖面的細節不敏感。這是因為，激光燒蝕產生的等離子體是飛片加速的主要動力源，飛片的特性更依賴于等離子體的動力學特性，而激光能量剖面中局部的微小缺陷不會引起等離子體狀態的明顯變化。因此，在實驗中采用能量剖面整體呈“平頂型”的激光即可獲得完整性和平面性均良好的飛片。

圖4 2種不同的激光能量剖面及對應條件下的飛片完整性Fig.4 Two kinds of laser energy profiles as well as corresponding flyer integrity

3 飛片靶金屬膜層力學特性對飛片速度的影響

3.1 膜基附著力的影響

由于玻璃基底材料和金屬薄膜的物理化學性質差異較大，導致金屬膜層與基底之間的附著性較差，為飛片靶制備帶來困難。參考前人的經驗，本文在實驗中設計了基底／Cr／Al復合結構的飛片靶，即在玻璃基底和金屬鋁膜層之間加入金屬Cr附加層，以提高鋁膜層（飛片膜層）與基底之間的膜基附著力F。同時制備了結構為基底／Al的單膜飛片靶和結構為基底／Cr／Al的復合結構飛片靶，2種飛片靶的膜基附著力分析的劃痕測試結果（圖5）顯示，含Cr層復合飛片靶的膜基附著力遠高于不含Cr層的飛片靶，即Cr附加層能極大地提高飛片靶的膜基附著力。相同激光參數下這2種飛片靶分別獲得的飛片速度v 如圖6所示，顯然，增加Cr層后飛片速度在總體上提高了近一倍。這說明，飛片靶的膜基附著力也是影響飛片速度的一個重要因素，而且在一定范圍內隨附著力的增大，飛片速度也將增大。這是因為附著力增大后，等離子體受到的約束作用增強，吸收了更多的激光能量E 而具有更高的內能和壓力，使得飛片獲得了更多的動能，表現為飛片速度增大。

圖5 不同飛片靶劃痕測試結果Fig.5 Adhesion test results of different flyer targets

圖6 不同飛片靶飛片發射速度Fig.6 Flyer velocity of different flyer targets

3.2 飛片膜層的強度和韌性的影響

飛片靶金屬膜層的強度不僅是飛片完整性的重要影響因素，還是激光能量耦合效率的重要影響因素。因此，本文中采用不同的工藝在玻璃基底上制備了多種結構的飛片靶，包括用離子束濺射方法制備的結構為基底／Al的鋁單膜飛片靶，Al膜層厚3μm；用場輔助熱擴散法將13μm 厚的商用鋁箔直接粘貼在基底上制得的鋁箔飛片靶；用離子束濺射法制備的結構為基底／Cr／Al的鋁／鉻復合結構飛片靶，Al膜層分別厚3、5、9和10μm；以及采用電子束蒸發法制備的結構為基底／Cr／Al的鋁／鉻復合結構飛片靶，Al膜層分別厚3、5、9和10μm。其中，鋁／鉻復合結構飛片靶中Cr附加層的厚度均為50nm。

利用上述飛片靶進行了飛片驅動實驗，發射飛片后的飛片靶形貌如圖7所示。在本文研究范圍內，鋁單膜飛片靶驅動位置邊緣處的金屬膜層呈現清晰的剪切形貌，沒有拉伸、撕裂或鼓包等現象，并能夠清晰看到等離子體濺射留下的痕跡，如圖7（a）所示。鋁箔飛片靶則全部存在拉伸現象，如圖7（b）所示，最大拉伸長度超過600μm；激光能量增加后拉伸程度降低，而當激光能量較低不足以發射飛片時，則形成錐形鼓包，與圖7（e）中的鼓包現象［23］類似。對于鋁／鉻復合結構飛片靶，則觀測到2種不同的形貌，一種是清晰的剪切形貌，如圖7（c）所示；另一種是有輕微拉伸效應（拉伸長度小于100μm）且大面積不規則鼓包的形貌，如圖7（d）所示，黑色為鼓包區。

綜合分析圖7所展現的各種鼓包、拉伸現象，可知金屬膜層的強度和韌性都是影響飛片特性的重要因素。如果金屬膜的強度較低且韌性較差，則飛片內的應力分布梯度和加速度分布梯度極易造成飛片破碎，無法形成完整的飛片；而且金屬膜層的強度和韌性較低時，等離子體受到的約束作用較弱，難以對飛片產生較大的沖量作用，從而不能獲得高速飛片。如果金屬膜層的強度和韌性很高，則飛片在形成過程中需要消耗更多的激光能量，不利于發射高速飛片，但較高的強度和韌性能夠保證飛片的完整性；圖7（b）中強烈的拉伸效應由鋁箔過高的韌性導致，這種影響會降低飛片的平面性，但利于保持飛片的完整性。因此，當膜層強度和韌性適中時，既能保持飛片的完整性和平面性，又能對等離子體形成較好的約束作用，獲得較高的飛片速度。圖7（d）中的鼓包現象還反映飛片靶的膜基附著力較弱，而且分布不均勻。如果附著力較弱而強度較高，金屬膜在拉伸應力作用下就會剝離基底而形成鼓包現象，大面積的鼓包會加速等離子體的壓力卸載，影響等離子體的動力學特性，對飛片產生不利影響。

圖7 發射飛片后的飛片靶形貌Fig.7 Morphologies of flyer targets after launching

為了進一步分析飛片靶力學特性對激光能量耦合效率的影響，圖8給出了不同結構飛片靶的激光能量耦合效率β 隨激光能量密度P 的變化曲線，飛片靶均采用離子束濺射法制備，其中除1＃號飛片靶外，其余均含有Cr附加層。

首先，圖8說明激光能量的耦合效率隨激光能量密度的變化而變化，而且存在一個極大值。起先，隨著激光能量密度的升高，激光能量耦合效率逐漸升高，在激光能量密度達到一定值時，激光能量耦合效率達到極大值；然后，隨著激光能量密度的升高，激光能量耦合效率開始下降；越過極大值后，即使激光能量繼續升高，能夠轉化為飛片動能的部分也很有限。這一耦合效率極大值與飛片靶的結構、飛片的物理特性以及激光參數等諸多因素相關。

其次，從圖8可清晰看出，飛片靶中添加Cr附加層后，激光能量的耦合效率大幅提高。這是因為Cr附加層在提高飛片靶膜基附著力的同時，也使Al膜層具有更好的致密性，增強了膜層強度，使等離子體受到較強的約束作用而積累更多的內能，對飛片造成更多的沖量作用，提高了激光能量的耦合效率。因此，金屬膜層的強度直接影響激光能量的耦合效率，Cr附加層可有效提升飛片靶膜層的強度。

因此，在飛片靶的設計和制備過程中，飛片靶的膜基附著力、金屬膜層的強度和韌性三者之間需要保持一定的匹配關系，且膜基附著力要分布均勻。

4 8km／s高速飛片的實驗結果

高質量的飛片不僅應具有良好的完整性和平面性，還應具有較高的速度。從前文的分析可知，能量剖面呈“平頂型”的激光是發射高質量飛片的基礎，含有Cr附加層的鉻／鋁復合結構飛片靶則具有較高的激光能量耦合效率，具有發射高速飛片的潛力。因此，本文中利用多種鉻／鋁復合結構飛片靶進行了高速飛片驅動實驗，結果如圖9所示，其中厚10μm的鉻／鋁飛片靶是采用電子束蒸發法制備的，其余飛片靶是采用離子束濺射法制備的，Cr層厚度均為50nm。圖9中還給出了用離子束濺射法制備的不含Cr層的3μm 鋁單膜飛片靶的實驗結果。

從圖9可以看出，飛片靶中增加Cr附加層后，飛片速度獲得了顯著的提升，證明增大飛片靶的膜基附著力和金屬膜層的強度能夠提升飛片的發射速度。飛片速度隨激光能量的增加首先近似線性迅速增大，然后增速變緩，甚至發生速度降低的情形，這與圖8中激光能量耦合效率的變化一致。圖9 中10μm飛片的速度明顯高于9μm 飛片，這反映飛片靶的力學特性是飛片速度的重要影響因素。

在上述研究的基礎上，采用離子束濺射法在石英玻璃基底上制備了結構為基底／Cr／Al的飛片靶，其中Cr層厚80nm，Al膜層厚3μm。將直徑為1mm、厚度為3μm 的鋁飛片穩定加速至8km／s，實驗結果如圖10～11所示。

圖8 飛片靶的激光能量耦合效率隨激光能量的變化Fig.8 Energy coupling efficiency varied with laser fluence

圖9 不同結構飛片靶獲得的飛片速度Fig.9 Flyer velocities varied with laser fluence for different flyer targets

圖10 飛片速度隨激光能量的變化Fig.10 Flyer velocity varied with laser energy

圖11 飛片撞擊后驗證靶的典型形貌Fig.11 Morphology of target after impact

圖10顯示，激光能量在0～380mJ之間時，飛片速度隨激光能量的增加而迅速增大，但速度具有一定的分散性；激光能量在380～800 mJ之間時，飛片速度隨激光能量的增加而緩慢增大，飛片獲得了8km／s的高發射速度，而且發射穩定性好；激光能量在800mJ以上時，飛片速度基本保持不變，但分散性增大。從圖11可以清晰看出，飛片撞擊驗證靶后，驗證靶上形成了邊緣清晰的撞擊坑，說明飛片具有良好的完整性。上述實驗結果表明，飛片靶具有良好的力學特性時，利用較低的激光能量就可實現高速飛片的穩定發射。

5 結 論

實驗研究了激光驅動飛片技術中激光光束質量和飛片靶力學特性對飛片速度、完整性和平面性的影響，并與前人的研究進行了比較，獲得如下認識：

（1）“平頂型”的激光能量剖面更利于產生狀態均勻的等離子體，減小飛片內的加速度分布梯度和應力分布梯度，能夠保證飛片的完整性；

（2）飛片靶金屬膜層的強度、韌性和飛片靶膜基附著力對飛片特性存在明顯影響，在飛片靶制備過程中應注意保持膜基附著力、強度和韌性三者的匹配；

（3）在基底和鋁膜之間添加金屬Cr附加層，能夠顯著提升飛片靶的膜基附著力，同時改善金屬膜層的力學特性，利用這種復合結構靶獲得了8km／s的高速飛片，而且實驗重復性很好。

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