固體材料高功率激光斜波壓縮研究進展*

李 牧,孫承緯,趙劍衡

(中國工程物理研究院流體物理研究所,四川 綿陽 621999)

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固體材料高功率激光斜波壓縮研究進展*

李 牧,孫承緯,趙劍衡

(中國工程物理研究院流體物理研究所,四川 綿陽 621999)

利用高功率激光誘導的應力波對固體材料進行高應變率斜波壓縮，是近年來快速發展的新型動高壓實驗技術。與傳統加載手段不同，它可以在數ns時間內以極高的應變率(106～109s-1)將薄樣品平滑加載到數千萬大氣壓，并仍然保持其固體狀態。結合多種先進的診斷技術，可以測得樣品材料的熱力學、動力學參數和原位微觀結構特性，是研究動高壓物理、物態方程和高應變率動力學問題的先進途徑。本文梳理了這種技術的發展歷程，對其加載和診斷技術以及已取得的主要結果進行綜述，并展望了其發展前景。

爆炸力學；斜波壓縮；高功率激光；固體材料；物態方程；應變率相關

高功率激光與凝聚態靶相互作用可以產生極高的燒蝕壓力，形成高壓沖擊波在靶物質中傳播，實現對物質的高度壓縮[1-2]。與傳統沖擊加載手段(Hopkinson桿、炸藥爆轟、輕氣炮等，加載壓力100～105MPa，加載應變率103～107s-1)相比，激光驅動沖擊加載可實現超高壓力(108MPa 或102TPa量級)[3-4]和超高應變率(106～109s-1)[5],并且利用不同的激光脈沖波形和作用方式還可實現多次沖擊[6-7]、無沖擊[8-13]、三角波[14-16]、等容加熱等各種可控加載路徑。更重要的是，在進行壓縮加載的同時還利用另外的診斷激光束脈沖產生所需要的輻射源(如X射線、質子等)[17-19]，進行樣品材料的物理、力學參量和微介觀形貌或結構的原位測量與診斷，建立重要的多尺度實驗研究體系[20]。

由于上述原因，自20世紀70年代起激光驅動高壓的實驗途徑就引起了關注[1-2,21-23]。繼實現TPa量級的沖擊壓縮之后，R.Cauble等[3]在NOVA裝置上用激光驅動高速飛片的方法達到了75 TPa的峰值沖擊壓力，但此方法由于實驗精度不高而沒有繼續下去，轉向數據更可靠的實驗途徑。

當前用于動高壓實驗的高功率激光設施有NIF、OMEGA、JANUS、Trident、LULI、HELEN、GEKKO-XII(Firex)、神光II和神光III原型。20世紀70年代以后30年間，激光加載手段主要是燒蝕沖擊波直接壓縮或激光驅動高速飛片間接碰撞，加載途徑、沖擊壓力和實驗精度存在較大局限。事實上，由于制靶、束勻滑、波形調控、預熱抑制以及診斷技術等原因，激光沖擊實驗數據跟其他加載手段實驗的結果之間存在一定差別，其中一個重要原因在于激光加載的超高應變率特點。

21世紀以來，各種配套技術不斷改進(如沖擊波參數測量誤差小于2%[24])，支撐了激光驅動技術的創新。主要進展有3個方向：激光驅動準等熵(斜波)壓縮[8-13]、透明介質Hugoniot狀態的連續測量[14,16,25-31]以及激光輻照受靜壓樣品的動靜聯合加載實驗[32-34]。這些途徑都是圍繞物態方程展開的。利用準等熵壓縮希望得到高壓低溫的材料狀態，對于過渡段物態方程很重要，因為該范圍內沖擊絕熱線(Hugoniot)數據準確度較低，需要由別的數據進行校核。利用激光驅動的衰減沖擊波加載，可獲得透明介質(尤其氘、氚[34]以及標準材料[14,29,35-38]的完全物態方程數據，依靠先進的連續測量技術能夠給出波傳播狀態拐點的高精度結果，這是以前用多發多點測量實驗很難實現的。動靜結合實驗技術對于氣體、液體的高壓物態方程研究是革命性進步。傳統靜高壓平臺上樣品區較大且容器材料強度有限，靜壓力很難提升至上萬大氣壓。采用激光加載增壓，則樣品區直徑可小于mm尺度，適合使用金剛石壓砧，使初始靜壓力達到5 GPa[32],初始密度有數倍提高，從而可獲得多條不同初始密度的Hugoniot線。由于初始密度對沖擊絕熱線的影響遠高于溫度和壓力，因此這條途徑對寬區物態方程研究將發揮重大作用，對天體物理和聚變點火實驗有推動作用。本文中僅介紹激光斜波壓縮技術[39]和實驗的進展。

自然界和工程技術的很多動力學過程及其中物質的熱力學狀態，往往不是傳統沖擊動力學加載的單次沖擊情形[20,40]，如行星內核的演變不是一個絕熱過程，而是介于等熵壓縮與等溫壓縮之間的某種過程，同時還發生多種相變[41]。武器內爆過程中有關材料經過多次沖擊、卸載、再加載，更接近于等熵壓縮的狀態。對于這些需求，通過準等熵壓縮實驗有望豐富物質熱力學狀態數據庫，拓寬高壓物理實驗研究的范圍。從早期的斜波發生器、爆轟到磁驅動技術，斜波準等熵加載已取得了重大進展，尤其是1999年J.R.Asay在Z機器上創造的磁驅動準等熵壓縮實驗技術[42]，對激光驅動斜波加載技術產生了很大的影響。J.Edwards等[8]基于爆轟產物空腔驅動的經驗，提出了激光燒蝕薄膜靶產生射流進行斜波加載的思路，迅速創造了激光驅動高應變率準等熵加載的實驗技術。

1 激光斜波壓縮的基本技術途徑

圖1 激光驅動斜波壓縮的基本途徑[8,11,43,46]Fig.1 Approaches to ramp compression by laser[8,11,43,46]

自從J.Edwards等[8]開展了激光驅動無沖擊壓縮實驗，D.C.Swift等[43]、N.Amadou等[44]、M.Koenig等[45])相繼開展了類似的工作。這種基本途徑已經發展了多種類型，其概念和起源見圖1。

1.1 加載波形調節技術

圖1中途徑1是利用波形調節技術[43-45,47]，把時間調制的基頻或倍頻激光束直接作用到材料樣品上，控制激光光強隨時間逐漸增大，產生平滑上升的加載壓力，實現斜波壓縮。途徑4也是利用波形經時間調制的激光束，通過黑腔轉換為軟X射線再輻照樣品[41,46,48-49]。近年來很多激光裝置的種子源都已經升級為任意波形發生器，并且整個光路放大系統具備了全程光學傳遞函數的閉環控制，與D.C.Swift等[43]開始的波形調節實驗相比有了質的飛躍，便于直接進行途徑1和途徑4的實驗。總的看來，目前的波形調節能力主要受限于激光的總脈寬，大部分裝置的最大可調脈寬不超過10 ns，只有在NIF上目前可實現20 ns的脈寬，對于斜波加載實驗仍然有些偏短。若要把典型金屬樣品加載到TPa量級，則終態拉氏聲速cL應達到初始聲速cL0的8～10倍以上。在足夠理想的優化波形情況下，可認為沖擊波形成最遠位置約等于初始聲速cL0與激光脈寬τ的乘積，也就是樣品可能的最大厚度。事實上厚度為d的樣品中，其粒子速度上升沿的寬度近似等于τ-d/cL0，還必須高于一定的臨界值，才能防止沖擊波的出現。因此，激光脈寬適當長些是有利的。

為降低輻射熱波(包括熱電子和X射線)的影響，材料樣品層通常需要包覆低原子序數燒蝕層和屏蔽層，從而實際有效的面應力波上升沿更短。但是如果加載脈寬過于增大，燒蝕深度也會加大，又會出現二維效應和不穩定性擾動。這些問題都可能導致實驗數據質量下降。

實驗設計上為了延長速度剖面的上升沿，需要增大cL0,通常采用一個初始強沖擊波最先進入樣品，加載路徑成為“沖擊波”加“斜波”，這種方式實驗上比較容易實現。引入初始強沖擊還有另外一個優點，就是使材料適當熱軟化[41]，從而在后期斜波壓縮過程中可以忽略應力偏量的影響，直接給出流體靜水壓力與比容的關系，這對物態方程研究是有利的。從2009年開始，在OMEGA裝置上開展了多發次的沖擊-斜波實驗[20]。在NIF上則在2011年開始利用20 ns的加載波形進行沖擊-斜波實驗，近年來僅以每年十幾發的實驗量，就取得了斜波壓縮實驗一系列的新進展[39,50-51]。

關于NIF上波形優化的工作還沒有系統的文獻報道，僅見到D.C.Swift等[52]的一篇文章，Jin Yun-sheng等[53]、Xue Quan-xi等[47,54]、Shu Hua等[55]也在這方面做了研究，并初步開展了實驗驗證。

1.2 氣庫膜結構

圖1中途徑2是使激光束直接作用于塑料薄膜(氣庫膜)并產生燒蝕沖擊波[8,10,13,56-64]，當該波透出薄膜后表面時燒蝕等離子體發生強卸載，形成高速、高密度梯度的自由射流，通過一段空腔距離后形成具有所需動量分布的加載射流，再撞擊壓縮材料樣品。途徑3與途徑2類似，不同的是激光束進入黑腔，通過輻照高原子序數黑腔材料，產生軟X射線再輻照氣庫膜，這種方法能產生強度更高、更接近平面一維的加載射流源[11-12,59]。采用這2種途徑可通過對氣庫膜的處理基本消除樣品預熱，其加載波上升時間也可通過實驗靶參數的設計進行較大范圍的調整(數ns到幾十ns)，其加載波的平面性以及實驗測量精度都能滿足材料動態響應和物態方程數據的需要，并可降低對激光裝置波形調節能力的要求。

Li Mu等[9]對激光直接燒蝕氣庫膜進行準等熵壓縮實驗的多個影響參數進行了系統的數值分析，包括激光脈寬、波長、功率密度、能量密度、氣庫膜厚度、空腔厚度、樣品阻抗等。合理設計的黑腔驅動途徑能夠產生平面性更好的結果，但在腔內產生的硬X射線和激光一次反射引起的超熱電子都會造成樣品的預熱，為此R.F.Smith等[11-12]主要采用黑腔與摻溴氣庫膜的方法。受摻溴技術的限制，李牧等采用金屬夾層氣庫膜的結構，達到了預期的屏蔽效果，同時還拉長了加載應力的上升沿。這種多層氣庫膜技術類似傳統的阻抗調節技術[58]，可以在不改變入射激光的條件下優化斜波加載的應力波形。從滲透技術、三維加工、多層膜到NIF上使用的更復雜的靶結構[58-59,65]，主要目的是拉長加載上升沿時間，提高斜波加載峰值壓力。NIF上近期的實驗表明，這種創新有望實現接近TPa量級峰值壓力的長脈寬斜波壓縮，對于重金屬材料的準等熵壓縮具有重要意義。雖然氣庫膜本身的燒蝕吸收能量，導致壓縮效率大大降低，但卻可以很好地控制輻射預熱，而且射流撞擊樣品所引起熱波的傳播速度遠低于應力波，所以加載環境很干凈，加載脈寬又很長，有利于在不宜進行波形調控的激光裝置上開展斜波壓縮實驗。從這些分析來看，氣庫膜技術是一種適應性較強的接近簡單力學加載的斜波實驗技術。

2 激光斜波壓縮數據的實驗測量

2.1 材料樣品表面速度和溫度的測量

激光斜波壓縮實驗的測量診斷同樣需要以波剖面測量為基礎。由于有效過程僅有幾十ns，而且樣品尺寸很小，無法排布多個探頭，條紋相機記錄的線成像VISAR就成了最重要的測量工具[27]，可以同時記錄下多個臺階厚度樣品的表面或界面速度歷史，還可以給出加載平面性和界面反射率的信息。基于VISAR反射率[14,28]的主動測量，目前已經成為一個反算樣品表面溫度的重要手段，在物態方程研究中發揮了重要作用，尤其是在低溫段比被動SOP(條紋相機記錄的光學高溫計)技術的精度高得多[30]。根據不同厚度樣品的表面/界面速度歷史，考慮阻抗匹配修正后可以算出設想的半無限厚樣品中相應于實際樣品厚度處的原位粒子速度，從而得出拉氏聲速，即可算出應力-比容關系(準等熵壓縮線)[40]。這是準等熵壓縮實驗典型的測量數據處理方法，其中最關鍵的是獲得精確的原位粒子速度。跟磁驅動實驗一樣，這種處理方法獲得的準等熵壓縮線包含了應力偏量，需要再處理才能得到靜水壓力表征的物態方程數據，但目前還沒有發現更合適的辦法[66-68]。

2.2 X射線衍射(XRD)診斷技術

很多實驗無法獲得多個厚度處樣品的粒子速度，譬如上面提及的波形調節能力受到上升沿寬度限制的情形，又如高壓力下厚樣品中無法避免形成沖擊間斷。為了取得更多的新數據，D.H.Kalantar等[18,69，71-72]、A.Loveridge-Smith等[70]、J.Hawreliak等[73]、J.A.Hawreliak等[74]探索了激光誘導的X射線衍射測量技術，一部分光束進行加載，另一部分光束聚焦轟擊單質靶作為單能、微焦點X射線源，通過精確地同步控制，對斜波加載的樣品結構和參數進行瞬態精密診斷。例如通過衍射技術可以獲得比容數據，但如何同時確定樣品中的壓力？使用透明的標準材料作為窗口，有望解決這個重要問題。

進行X射線的衍射或譜測量(包括XRD、EXAFS等技術)，最關鍵的是探針光的選取和光源的優化[75]。為進一步提高He-α線的對比度并降低高能輻射背景，J.H.Eggert[39,51]、A.Higginbotham等[76]已做了很多優化工作，這是提高衍射或譜數據精度的重要內容，值得關注。

2.3 標準窗口材料研究

M.D.Knudson等[36,38，77]在ZR機器上利用準等熵發射的超高速鋁、銅飛片進行了上百發實驗，標定了z-切割α石英材料的高壓沖擊絕熱線。D.G.Hicks等[29,78]在OMEGA激光器上先以鋁為標準材料，用阻抗匹配法確定了z-切割α石英在0.2～1.5 TPa的高精度沖擊絕熱線(沖擊波速度測量誤差小于2%)，然后再以石英作為參考，得到納米晶金剛石在0.6～1.9 TPa范圍的結果，沖擊波速度和密度的測量誤差分別為(0.3～1.1)%和(0.2～2.7)%，達到了作為標準材料的要求。R.F.Smith等[41]、D.K.Bradley等[46]開展人造金剛石斜波壓縮實驗的主要目的是獲得其準等熵壓縮線，結合沖擊壓縮線數據建立金剛石作為與重金屬阻抗匹配的超高壓窗口材料的數據庫。為獲得更高精度的數據，單晶金剛石材料的標定還在進行中。

選擇金剛石作為標準窗口材料主要有2個考慮：其一是阻抗高(主要由于聲速高)，與待測的幾種重金屬材料的阻抗相差不大；其二是碳單質，對硬X射線的吸收非常弱，是理想的X射線窗口材料。

2.4 夾層薄膜材料樣品結構

圖2是在NIF上正在進行的鉭的高壓物態方程測量方案(TARDIS，tardet diffraction in situ)和實驗靶[51]，采用平面夾層靶設計，用VISAR記錄人造金剛石(HDC)砧靶的自由面速度歷史，鋯膜產生的He-α線作為探測(探針)束，衍射方案為粉末衍射。注意到夾層靶中被測鉭樣品的厚度僅5 μm，兩側均為高密度碳(人造金剛石)，激光燒蝕左側金剛石產生的應力波向右傳播，應力波在鉭兩側金剛石砧靶表面的來回反射，其渡越時間相對于整個加載脈寬可以忽略，即鉭樣品的厚度為流體力學薄[75]。從而可認為鉭層內部壓力基本一致，并等于金剛石窗口加載面上的壓力。這樣，通過金剛石窗口自由面速度反演到加載面即可獲得樣品的實時壓力歷史，并可與衍射獲得的比容結果對照。這就是NIF上開展超高壓力范圍斜波壓縮物態方程測量的主要思路。

圖2 NIF正在進行的鉭樣品高壓斜波壓縮測量方案和實驗靶[51]Fig.2 Sketch map of target diffraction in situ (TARDIS) and C-Ta-C sandwich target utilized by NIF[51]

2.5 擴展吸收邊精細譜結構(EXAFS)診斷技術

除衍射測量，利用擴展吸收邊精細譜結構的診斷也是物態方程研究的一個重要途徑[60,79-85]。這種方法的基本原理是:原子中內層電子的躍遷過程會受到與臨近電子云有交疊的原子的影響，導致吸收譜線在K殼層吸收邊前后發生波動，產生精細結構。由于不同原子的K吸收邊相差很遠，這種技術能夠直接測量指定元素的微觀結構、密度和溫度，提供與壓力相關聯的數據。這類實驗需要高亮度的X光白光光源，在大型激光裝置上可通過專門設計的靶丸內爆實現，一般要求這種源光譜在被測樣品吸收邊附近具有連續光滑的譜分布，這樣才能獲得高信噪比的吸收譜原始信號。信噪比是實驗成功與否的核心，因為透射測量吸收邊外高能區信號已很弱，加載激光與靶相互作用也會產生X射線干擾，因此必須使探針光的亮度遠高于此。目前利用這種技術主要在OMEGA上開展實驗，NIF上暫時還沒有看到這方面的結果，EXAFS數據和XRD數據可相互參考，對于完全物態方程數據的獲取大有裨益。

3 激光驅動斜波壓縮物理研究的進展

3.1 高壓范圍的多相物態方程

圖3 金剛石在無沖擊加載和沖擊-斜波加載下的不同響應曲線[39]Fig.3 Different stress-density curves of diamond under shockless or shock-ramp loading[39]

圖4 600 GPa以下鉭的物態方程測量結果，沖擊-斜波加載聲速測量和衍射測量的對比[50]Fig.4 Stress-density relations in 600 GPa, shock or ramp compression, there is different between results from sound and diffraction measurement[50]

物態方程研究是開展準等熵壓縮實驗的主要目的，尤其是重金屬物態方程在核武器物理研究中意義重大。如前所述，斜波壓縮實驗研究的目的是得到材料TPa量級高壓下的固態參考點，而在200～500 GPa以下的靜高壓和沖擊絕熱線的精度已滿足要求，而且熱力學準等熵線與沖擊絕熱線的差別不大。10年來，大部分斜波壓縮實驗的加載范圍都在200～500 GPa以下，為了追求更接近理論等熵線的結果，包括磁驅動和激光驅動技術都重點發展無沖擊的純斜波加載方式，但得到的實驗數據都比理論等熵線偏硬。分析發現在高應變率加載下聲子阻尼造成材料屈服強度和流動應力大幅增長，這個現象在激光驅動中尤其明顯[55,62-63,86-88]。雖然這個現象反映了材料的應變率響應特性，但給物態方程的精密研究造成很大麻煩，因為應力偏量與主應力的比值明顯超過物態方程許可的誤差范圍。扣除應力偏量的準等熵線可以稱為表觀等熵線，雖然仍然包含各類耗散引起的附加熱壓，但已可作為熱力學物態方程的參考線。困難是如何確定應扣除的應力偏量值，這個問題可能在短期內不容易解決。

好在最關心的是百GPa及更高壓力范圍的物態方程，通過引入初始強沖擊波，讓材料熱軟化，進入可以忽略強度的準流體狀態[41]，然后再進行斜波壓縮。采用這種方式可以顯著降低斜波壓縮過程中的熱耗散，提高壓縮比。圖3給出了一個典型的例子，左下角0～800 GPa的線是用無沖擊加載方式獲得的，0～5 TPa的線是用沖擊-斜波加載方式獲得的，初始沖擊波的強度約為110 GPa，實際上是金剛石的Hugoniot彈性極限。在這種狀態下，初始沖擊應變并沒有包含產生加工硬化的塑性應變，是一種低熵增途徑。與此同時，人造金剛石中燒結留下的初始空隙完全閉合，后期斜波作用過程中均可視為密實材料。圖3的2條準等熵線都是用多臺階自由面速度剖面計算給出的，明顯看出無沖擊加載結果比沖擊-斜波加載結果偏硬很多。NIF的結果在1 TPa以下幾乎和冷壓線重合，偏應力的份額很小，可認為總應力和靜水壓相當，可以作為物態方程的等熵參考線。

NIF和OMEGA上的實驗都沒有觀察到明顯的相變信號，而在沖擊相變實驗中可明顯觀察到，這可能與金剛石相到BC8相的相變速率過慢有關，NIF斜波加載的應變率太高，這方面的證據還需補充。

由于金剛石是自然界最硬的材料，初始聲速極高，因此適合采用粒子速度和聲速測量的方法來獲得響應曲線，其價值在于作為衍射和吸收譜測量中的高壓物態方程標準材料。圖4給出了重金屬鉭在600 GPa范圍內物態方程的等熵線數據[50]，其中的準等熵線是基于沖擊-斜波加載多臺階靶聲速測量獲得的，可以看出在200 GPa以上與Hugoniot線的差別很明顯。以bcc結構進行分析給出的300 GPa以下的衍射測量結果與聲速測量結果吻合良好，但300 GPa以上則出現明顯分歧，顯示hcp相給出的比容更接近聲速測量結果，預示發生晶體結構相變的可能性極大。在類似實驗中也發現鉛在700 GPa的斜波壓縮下也從bcc相轉變成hcp相。通過衍射實驗還觀察到了錫沖擊熔化后繼續進行斜波壓縮時重新發生了重結晶過程。利用夾層靶結構的衍射實驗，F.Coppari等還發現了MgO在斜波加載到600 GPa時發生了結構相變[89]，從NaCl型的B1結構轉變成CsCl型的B2結構，一直到900 GPa都保持穩定。這是首次從實驗上觀測到相變證據，之前的沖擊實驗中MgO進入該壓力區域都發生了融化。Y.Ping等[79]基于多沖擊-斜波加載，用EXAFS方法對鐵高壓相圖進行了新的探索，發現一直到560 GPa前鐵樣品都維持穩定的hcp相，同時對鐵高壓段的融化邊界進行了限定。

3.2 低壓范圍材料動力學應變率響應特性研究

在較低的壓力范圍內，激光驅動的高應變率特性便于進行高應變率加載下的材料動力學特性研究，在這之前要達到107s-1以上的應變率幾乎是不可能的。沖擊加載實驗中應變率無法解耦，靜壓加載時應變率接近零，其他動壓加載能達到的應變率較低。

材料的彈塑性轉變對晶粒尺度及樣品尺度、溫度、應變率、晶向(單晶)、初始缺陷密度等參數比較敏感，是材料動力學研究的重要內容。利用激光斜波加載，對多種材料的彈塑性轉變已進行了實驗研究，圖5給出了鋁、硅、鐵、鉭4種材料的動態彈性極限隨應變率的變化關系。

圖5(a) 鋁[88]的Hugoniot彈性極限與應變率的關系
Fig.5(a) Elastic limit as a function of strain rate for Al[88]

圖5(b) 硅[92]的Hugoniot彈性極限與應變率的關系
Fig.5(b) Elastic limit as a function of strain rate for Si[92]

圖5(c) 鐵的Hugoniot彈性極限與應變率的關系
Fig.5(c) Elastic limit as a function of strain rate for Fe

圖5(d) 鉭[20]的Hugoniot彈性極限與應變率的關系
Fig.5(d) Elastic limit as a function of strain rate for Ta[20]

由圖5可明顯看出：在高于107s-1的應變率范圍內，這些材料的彈性極限出現大幅增長。文獻中大多將其解釋為：由于聲子拖曳機制，位錯傳播速度受到聲子散射的阻滯，因而屈服強度增大。判斷控制機制是否為聲子拖曳的一個簡單方法是改變材料溫度。注意到聲子阻尼隨溫度的升高而升高，但是低應變率實驗中材料屈服強度隨溫度升高而下降，表明非聲子拖曳作用。若出現強度隨溫度升高而增大的相反現象，則可能是聲子拖曳在起作用。Shu Hua等[55]在激光驅動實驗中得到的鋁樣品Hugoniot彈性極限數據佐證了這個作用。低應變率加載下塑性屈服主要通過熱激活機制，位錯依靠晶格的熱振動突破勢壘，因而溫度越高位錯越容易激活，而且位錯移動速度隨剪切應力增大呈指數上升。在聲子拖曳機制下，位錯速度隨剪切應力增大呈線性上升。

相轉變起始壓力的數據也呈現類似規律，如圖6所示。激光加載的斜波實驗給出鐵α-ε相變的起始壓力達到15～20 GPa，在更高應變率的實驗中R.Smith竟然認為相變起始點達到了38 GPa，他判斷相變開始的依據是拉氏聲速曲率的變化，這可能與一級相變的物理特性有所差別。Li Mu等開展的單晶鐵和多晶鐵樣品的激光無沖擊實驗表明，除彈性極限差別較大，多晶鐵和單晶鐵在相轉變壓力上幾乎一致；同時開展的大角度衍射實驗結果表明，斜波加載下相變動力學過程與沖擊加載相比明顯不同，沖擊加載下新相疇的形成僅需幾十ps[90]，斜波加載下單晶樣品經歷較長時間的塑性變形后到達相變壓力狀態，此時實際上已經不是單晶體了，而且用單晶診斷方法也沒有獲得新相的衍射峰。

高應變率斜波加載下鉍的I-II相變邊界出現了明顯的滯后[64]，即非平衡邊界向高壓方向偏移。Yu Ji-dong等[91]利用相場方法對該過程進行了模擬分析，所得結果與實驗結果吻合很好，這有助于深入理解相變動力學。

斜波壓縮實驗還為高壓下固體材料強度的研究創造了可能。激光加載下的斜波壓縮要取得完整的加載、卸載曲線通常比較困難，因此激光加載下用雙屈服面方法進行強度研究，可能存在預熱的影響。相對來講，利用RT不穩定增長因子法和縱波震蕩法測量材料強度也不失為有效的手段。RT不穩定增長因子法已經在OMEGA和NIF上分別開展了對釩和鉭實驗，這類實驗不但能夠提供強度的信息，也為構型實驗奠定了基礎，一舉兩得。

圖6 材料結構相變的驅動壓力與加載應變率的關系，鉍[64]、鐵Fig.6 Over-driven pressure as a function of strain rate for Bi[64] and Fe

4 總結與展望

除準等熵壓縮的一般特點，激光斜波加載的特色和研究意義還有以下幾點：

(1)加載壓力峰值最高。目前NIF上得到的最高斜波壓力峰值已達到7 TPa，首先實現了從常壓到TPa壓力的單軸應變斜波方式的持續壓縮，其他技術途徑短期內無法達到。

(2)加載應變率最高。激光驅動斜波加載能夠在ns量級時間內使材料從常壓進入TPa壓力狀態，加載應變率峰值可以達到106～109s-1，比磁驅動途徑高約2個量級。

(3)加載路徑靈活可控。通過對激光波形、功率密度等參數以及氣庫膜和射流飛行距離(真空腔)的優化設計，可實現樣品加、卸載參數、路徑可控，獲得更豐富的材料偏離Hugoniot狀態的熱力學信息。

(4)可以同時進行多項原位診斷實驗。與宏觀力學參量實時測量的同時，利用高同步精度的各項原位診斷實驗可以獲得樣品材料的豐富微、介觀信息，了解其高壓晶相結構，得到更直接的物態方程數據，開展相變動力學研究。由于激光加載能夠達到更高更寬的狀態區域，激光原位診斷實驗對于動高壓物理的意義，將遠超過同步輻射診斷之于靜高壓實驗。

激光驅動準等熵壓縮實驗已從技術探索發展到可為核武庫維護提供高精度數據的程度，超高壓斜波物態方程數據已經成為NIF設施(也是磁驅動ZR機器)的主要物理進展之一，其進展速度之快超乎想象。激光加載和診斷技術不斷豐富，研究目標和框架已基本清晰，除數據精度和質量有待進一步提高外，原來認為極其復雜的數據處理問題已合理簡化，然而高壓物理本身卻面臨著新的挑戰—超高壓和超高應變率加載下材料的超固態結構及其變化機制有待于深入研究。

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(責任編輯 張凌云)

Progress in high-power laser ramp compression of solids

Li Mu, Sun Cheng-wei, Zhao Jian-heng

(InstituteofFluidPhysics,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621999,Sichuan,China)

Laser-induced stress waves can deliver ramp compression on solid materials with very high strain rates, and it is one of the newly-developed dynamic high-pressure methods in decades. Distinct from the conventional methods, laser ramp compression can reach terapascal pressures smoothly from ambient pressure with a high strain rate 106-109s-1, but the sample is still in solid state. During the rapid loading process, the thermodynamic state, dynamic characteristics, and in situ microstructure can all be probed by the advanced diagnostic technology. This method is becoming an important and new approach to further investigation on high-pressure physics, equation of state, and rate-dependent material dynamics. In this paper, the history, principle, diagnostics and main breakthroughs of laser ramp compression are reviewed and expected.

mechanics of explosion; ramp compression; high-power laser; solids; equation of state; rate dependent

10.11883/1001-1455(2015)02-0145-12

2014-12-26；

2015-02-20

國家自然科學基金項目(11172280,11472255)

李 牧(1979— )，男，博士，副研究員; 通訊作者： 趙劍衡,jianh_zhao@sina.com。

O381 國標學科代碼： 13035

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