[发明专利]一种激光驱动形成近球状飞片的方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光驱动技术领域，特别是一种利用激光驱动近球形飞片的方法。

背景技术

空间环境中存在大量的各种形状的碎片，但是主要有球状、柱状和片状。其中球状和柱状的碎片撞击对材料的损伤最大。现在模拟空间球状碎片的技术主要有二级轻气炮技术和电炮加速技术。二级轻气炮技术可以驱动直径范围在1-10nm之间球状和柱状粒子。但是每次驱动都会产生大量的粒子，速度分布范围广，不能研究单个粒子产生损伤效应。电炮加速技术主要用于驱动mm级非金属材质的高速单粒子弹丸，具有一定的局限性。

激光驱动飞片技术结构简单、发射成本较低、容易与其他环境因素一起组成综合环境模拟设备、没有化学污染和电磁干扰、容易使碎片与撞击损伤处形成一一对应关系、特别方便试验过程的参数测量和试验结构的分析评价等。激光驱动飞片技术以其充分的可行性和相对简易的操作性，逐渐发展成为地面模拟空间碎片环境的主要手段。

目前，激光驱动飞片技术只能驱动片状飞片，针对空间环境中还存在着大量的近球状碎片尚无法模拟。所以激光驱动飞片技术的地面模拟实验具有一定的局限性。

发明内容

本发明针对以上问题，通过飞片靶的改进和调节激光光斑的，从而得到一种近球状的飞片粒子。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种激光驱动形成近球状飞片的方法，首先制备出一种用于激光驱动的飞片靶，所述飞片靶上布置有多个一端具有半球冠的圆柱状凸起，所述半球冠与圆柱的直径相同；采用激光驱动飞片时，激光束经聚焦镜聚焦后在所述飞片靶上所形成的激光光斑分别与所述飞片靶上圆柱状凸起的横截面形状一一相对应，激光束自飞片靶的圆柱状凸起一端、且沿圆柱的轴向入射到飞片靶，经激光烧蚀驱动，最终将飞片靶上的一端具有半球冠的圆柱状凸起激光烧蚀成为一个近球状的飞片粒子。

上述激光驱动形成近球状飞片的方法中，所述飞片靶上的半球冠凸起的直径为D，D＝激光光斑直径，所述飞片靶上的圆柱部分的高度为h，m<h≤0.5D+m，m为烧蚀层消耗厚度。烧蚀层消耗厚度有多种表达方法，经大量试验验证，所述烧蚀层消耗厚度m的计算公式采用如下：

式(1)中，A为烧蚀层材料的原子量；Z为等离子体的平均电离电荷；I为入射激光能量密度，单位为W/cm²；λ为入射光波长，单位为nm；τ为激光脉宽，单位为ns。

激光器脉冲的频率为单次触发，脉宽为5-20ns。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明针对目前激光驱动飞片形状的单一性，通过飞片靶的改进和调节激光光斑，从而得到一种近球状的飞片粒子，可以更好地去模拟空间中多形态的粒子撞击。本发明工艺简单、方便实用且无污染，且对于激光驱动飞片技术有重大的意义。

附图说明

图1为本发明中飞片靶上具有半球冠的圆柱状凸起的分布示意图；

图2是图1中一个具有半球冠的圆柱状凸起的侧视图；

图3为飞片靶的烧蚀驱动中的形态示意图；

图4为激光驱动飞片烧蚀前后飞片形状变化过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明提出的一种激光驱动形成近球状飞片的方法，主要是通过飞片靶的改进和调节激光光斑，从而得到一种近球状的飞片粒子。具体过程如下：

首先制备出一种用于激光驱动的飞片靶，如图1和图2所示，所述飞片靶上布置有多个一端具有半球冠的圆柱状凸起，所述半球冠与圆柱的直径相同；制备飞片靶可以选用机械加工、光刻、等离子刻蚀、镀膜生长等多种方法将飞片靶表面加工制备出具有半球冠的圆柱状凸起。

采用激光驱动飞片时，调节激光束的激光光斑分别与所述飞片靶上圆柱状凸起的横截面形状一一相对应，激光经聚焦镜聚焦后自飞片靶的圆柱状凸起一端、且沿圆柱的轴向入射到飞片靶，所述飞片靶上的半球冠凸起的直径为D，D＝激光光斑的直径，所述飞片靶上的圆柱部分(不含半球冠凸起部分)的高度为h，m<h≤0.5D+m，m为烧蚀层消耗厚度，所述烧蚀层消耗厚度m的计算公式如下：

式(1)中，A为烧蚀层材料的原子量；Z为等离子体的平均电离电荷；I为入射激光能量密度，单位为W/cm²；λ为入射光波长，单位为nm；τ为激光脉宽，单位为ns。激光烧蚀驱动过程中，激光器脉冲的频率为单次触发，脉宽为5-20ns。