專利名稱：一種激光驅(qū)動(dòng)非金屬飛片的方法及實(shí)現(xiàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及等離子體驅(qū)動(dòng)加速技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種激光驅(qū)動(dòng)非金屬飛片的方法。
背景技術(shù)：
自從激光器誕生起，人們就開展了激光與材料相互作用的廣泛研究。20世紀(jì)90年代初，人類首次提出了激光驅(qū)動(dòng)的概念，即利用激光推動(dòng)物體高速飛行。隨后，激光驅(qū)動(dòng)飛片技術(shù)也逐漸被發(fā)現(xiàn)。激光驅(qū)動(dòng)飛片是一種動(dòng)高壓加載技術(shù)，其物理基礎(chǔ)是強(qiáng)激光輻照引起靶材的氣化和燒蝕。20世紀(jì)80年代D. L. Paisley首次低能量激光脈沖實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁和銅的驅(qū)動(dòng)，是激光驅(qū)動(dòng)飛片的先驅(qū)；1990年，ff. M. Trott突破以往大氣傳輸?shù)木窒奘褂霉饫w傳輸方式驅(qū)動(dòng)鋁膜；2001年，D. L. Paisley等利用美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的大能量激光脈沖驅(qū)動(dòng)了如鋁、銅、金及鋼等金屬，擴(kuò)大了驅(qū)動(dòng)的飛片種類；日本無機(jī)材料研究所的賀宏亮博士利用調(diào)Q NdiYAG激光器驅(qū)動(dòng)10 μ m厚的鋁膜，獲得高達(dá)13kmps的速度。國內(nèi)，孫承緯、谷卓偉等人利用小型脈沖激光器驅(qū)動(dòng)鋁膜開展了一系列實(shí)驗(yàn)。激光驅(qū)動(dòng)飛片技術(shù)具有成本低、裝置簡(jiǎn)易等優(yōu)良特點(diǎn)，所以有廣泛的應(yīng)用前景。利用激光驅(qū)動(dòng)高速飛片沖擊引爆炸藥等可應(yīng)用于武器安全起爆系統(tǒng)；利用激光驅(qū)動(dòng)飛片技術(shù)開展實(shí)驗(yàn)室模擬太空高速微粒進(jìn)而研究空間飛行器防護(hù)結(jié)構(gòu)等。然而，目前激光驅(qū)動(dòng)飛片技術(shù)只局限于驅(qū)動(dòng)金屬飛片，其應(yīng)用于空間碎片地面模擬不足以等效于真實(shí)的空間碎片環(huán)境。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供一種激光驅(qū)動(dòng)非金屬飛片的方法及其實(shí)現(xiàn)裝置， 彌補(bǔ)了當(dāng)前激光驅(qū)動(dòng)飛片只能發(fā)射金屬粒子的缺陷，實(shí)現(xiàn)了非金屬粒子發(fā)射。本發(fā)明激光驅(qū)動(dòng)非金屬飛片的方法是在現(xiàn)有激光驅(qū)動(dòng)技術(shù)基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，適用于目前已開展激光驅(qū)動(dòng)飛片技術(shù)各個(gè)領(lǐng)域。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明一種激光驅(qū)動(dòng)非金屬飛片的方法予以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案是將激光器產(chǎn)生一束激光入射到沉積在一光學(xué)玻璃上的燒蝕層，使燒蝕層材料瞬間蒸發(fā)、氣化和電離，產(chǎn)生高溫高壓的等離子體，由于受光學(xué)玻璃的約束，等離子體產(chǎn)生的高壓沖擊波作用在燒蝕層另一面上、且位于入射區(qū)前面的一非金屬薄膜上，從而將剩余的非金屬薄膜剪切，并將其以高速驅(qū)動(dòng)，從而形成超高速飛片。利用上述激光驅(qū)動(dòng)非金屬飛片的方法實(shí)現(xiàn)激光驅(qū)動(dòng)非金屬飛片的裝置是，采用脈沖寬度為納秒和皮秒量級(jí)的激光器作為發(fā)光源，該激光器發(fā)射的激光先經(jīng)過一聚光鏡形成一束光，在一束光的投射方向上放置有一光學(xué)玻璃，該光學(xué)玻璃的背面依次設(shè)有燒蝕層和非金屬薄膜，所述燒蝕層由反射率小于10%的物質(zhì)構(gòu)成。進(jìn)一步講，上述激光驅(qū)動(dòng)非金屬飛片的裝置，其中，所述燒蝕層的材料為Al、炭黑、Ha、Ti 和 Ge。所述燒蝕層的厚度m為m = 2,66τι1 —其中,A :燒蝕層材料的
原子量；φ = Al)j ^，Z :等離子體的平均電離電荷；I :入射激光能量密度，單位
為W/cm2;X :入射光波長，單位為nm; τ :激光脈寬，單位為ns。所述非金屬薄膜厚度d為 d> Vc^ τ ;其中，Vc :沖擊波在基底材料中的傳播速度，單位為m/s ； τ :激光脈寬，單位為 ns ； β為常數(shù)，取4 6。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明提供的激光驅(qū)動(dòng)非金屬飛片的方法彌補(bǔ)了當(dāng)前激光驅(qū)動(dòng)飛片只能發(fā)射金屬粒子的缺陷，實(shí)現(xiàn)了非金屬粒子發(fā)射，可以應(yīng)用在高壓物理學(xué)、空間科學(xué)、材料微成形技術(shù)和炸藥快速起爆等領(lǐng)域。如在空間科學(xué)中采用激光驅(qū)動(dòng)飛片方式模擬空間碎片環(huán)境時(shí)， 通過交替使用飛片材料而達(dá)到等效碎片環(huán)境的目的。


圖I本發(fā)明一種激光驅(qū)動(dòng)非金屬飛片的方法的光路原理圖；圖2是本發(fā)明中復(fù)合飛片靶4的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是運(yùn)用本發(fā)明方法后，撞擊靶材損傷形貌；圖4是撞擊靶材損傷部位元素分布曲線圖。圖中I-激光器,2-兩互相垂直的反射鏡,3-聚光鏡,4-復(fù)合飛片IE,41-光學(xué)玻璃， 42-燒蝕層,43-非金屬薄膜,5-撞擊革巴。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。如圖2所示，本發(fā)明一種激光驅(qū)動(dòng)非金屬飛片的方法，將激光器I產(chǎn)生一束激光入射到沉積在一光學(xué)玻璃41上的燒蝕層42，使燒蝕層42的材料瞬間蒸發(fā)、氣化和電離，產(chǎn)生高溫高壓的等離子體，由于受光學(xué)玻璃42的約束，等離子體產(chǎn)生的高壓沖擊波作用在燒蝕層42另一面上、且位于入射區(qū)前面的一非金屬薄膜43上，從而將剩余的非金屬薄膜43剪切，并將其以高速驅(qū)動(dòng)，從而形成超高速飛片。利用上述激光驅(qū)動(dòng)非金屬飛片的方法實(shí)現(xiàn)激光驅(qū)動(dòng)非金屬飛片的裝置是，如圖2 所示，采用脈沖寬度為納秒和皮秒量級(jí)的激光器I作為發(fā)光源，該激光器I發(fā)射的激光先經(jīng)過一聚光鏡2形成一束光，在束光的投射方向上放置有一光學(xué)玻璃41，一般選擇石英玻璃或Κ9玻璃等，該光學(xué)玻璃41的背面依次設(shè)有燒蝕層42和非金屬膜43，所述燒蝕層42由反射率小于10%的物質(zhì)構(gòu)成，諸如可以是Al、炭黑、Ha、Ti或Ge等反射率低的物質(zhì)。實(shí)際上， 光學(xué)玻璃41、燒蝕層42和非金屬薄膜43構(gòu)成了復(fù)合飛片靶4，如圖I所示。燒蝕層42的設(shè)計(jì)需合理，從而使得入射激光對(duì)非金屬薄膜不產(chǎn)生燒蝕，燒蝕層42 厚度m設(shè)計(jì)滿足以下方程
權(quán)利要求
1.一種激光驅(qū)動(dòng)非金屬飛片的方法，其特征在于，將激光器產(chǎn)生一束激光入射到沉積在一光學(xué)玻璃上的燒蝕層，使燒蝕層材料瞬間蒸發(fā)、氣化和電離，產(chǎn)生高溫高壓的等離子體，由于受光學(xué)玻璃的約束，等離子體產(chǎn)生的高壓沖擊波作用在燒蝕層另一面上、且位于入射區(qū)前面的一非金屬薄膜上，從而將剩余的非金屬薄膜剪切，并將其以高速驅(qū)動(dòng)，從而形成超聞速飛片。
2.實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求I所述的激光驅(qū)動(dòng)非金屬飛片的方法的裝置，其特征在于，采用脈沖寬度為納秒和皮秒量級(jí)的激光器作為發(fā)光源，該激光器發(fā)射的激光先經(jīng)過一聚光鏡形成一束光，在一束光的投射方向上放置有一光學(xué)玻璃，該光學(xué)玻璃的背面依次設(shè)有燒蝕層和非金屬薄膜，所述燒蝕層由反射率小于10%的物質(zhì)構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的實(shí)現(xiàn)激光驅(qū)動(dòng)非金屬飛片的方法的裝置，其特征在于，所述燒蝕層的材料為Al、炭黑、Ha、Ti和Ge。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的實(shí)現(xiàn)激光驅(qū)動(dòng)非金屬飛片的方法的裝置，其特征在于，所述燒蝕層的厚度m為
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的實(shí)現(xiàn)激光驅(qū)動(dòng)非金屬飛片的方法的裝置，其特征在于，所述非金屬薄膜厚度d為
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光驅(qū)動(dòng)非金屬飛片的方法，將激光器產(chǎn)生一束激光入射到沉積在一光學(xué)玻璃上的燒蝕層，使燒蝕層材料瞬間蒸發(fā)、氣化和電離，產(chǎn)生高溫高壓的等離子體，由于受光學(xué)玻璃的約束，等離子體產(chǎn)生的高壓沖擊波作用在燒蝕層另一面上、且位于入射區(qū)前面的一非金屬薄膜上，從而將剩余的非金屬薄膜剪切，并將其以高速驅(qū)動(dòng)，從而形成超高速飛片。本發(fā)明可以彌補(bǔ)當(dāng)前激光驅(qū)動(dòng)飛片只能發(fā)射金屬粒子的缺陷，實(shí)現(xiàn)了非金屬粒子發(fā)射。在空間科學(xué)中采用激光驅(qū)動(dòng)飛片方式模擬空間碎片環(huán)境時(shí)，通過交替使用飛片材料種類而達(dá)到高效模擬碎片環(huán)境的目的。也可以應(yīng)用在高壓物理學(xué)、空間科學(xué)、材料微成形技術(shù)和炸藥快速起爆等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)B23K26/18GK102581483SQ201210051378
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月1日
發(fā)明者宋麗紅, 高承, 魏強(qiáng) 申請(qǐng)人:天津大學(xué)