飛秒激光激波特性的閃光高速攝影實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、超快激光脈沖感生激波已經(jīng)成為動(dòng)高壓物理領(lǐng)域中一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)研究手段。由于超快激光激波在樣品中的渡越時(shí)間最長(zhǎng)不超過1 ns，因此，超快激光激波特征參數(shù)（如樣品材料中沖擊壓力P、沖擊溫度T的大小等）的實(shí)驗(yàn)測(cè)量是進(jìn)行材料沖擊動(dòng)力學(xué)研究工作的一個(gè)難題。
　　同時(shí)確定超快激光激波在材料中所感生沖擊壓力P和沖擊溫度T的大小，這對(duì)于進(jìn)行諸如材料的沖擊相變研究等工程及材料領(lǐng)域的研究工作具有重要意義。尤其是在目前飛秒激光脈沖與材料相互作用的機(jī)制尚不

2、明確的情況下，搭建飛秒激光感生激波的實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)，進(jìn)行飛秒激光激波特性參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量研究工作尤為重要。
　　基于上述的研究現(xiàn)狀和存在的問題，本文利用連續(xù)介質(zhì)的準(zhǔn)平衡態(tài)理論，描述了超快激光激波在材料中產(chǎn)生和傳播的過程，分析了超快激光激波在兩種不同材料中的反射、透射過程，獲得了超快激光激波在兩種材料中所感生沖擊壓力、沖擊溫度的理論計(jì)算方法。
　　在此基礎(chǔ)上，采用一維流體動(dòng)力學(xué)中的特征線方法，對(duì)脈沖寬度分別為飛秒、皮秒和納秒量級(jí)的

3、激光脈沖在鋁膜中所感生的沖擊壓力波形進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，得到了超快激光激波在材料中隨時(shí)間、位置變化的傳播規(guī)律，為進(jìn)行飛秒激光激波的實(shí)驗(yàn)研究提供了必要的理論指導(dǎo)。
　　本文實(shí)現(xiàn)了飛秒激光脈沖在薄膜材料中感生激波的時(shí)間分辨超快顯微成像實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)的搭建。采用不同延遲時(shí)間的飛秒激光脈沖分別作為沖擊泵浦光和探測(cè)光，實(shí)現(xiàn)了薄膜材料中飛秒激光激波的感生和探測(cè)之間高精度的時(shí)間同步，將閃光高速攝影實(shí)驗(yàn)測(cè)量研究的時(shí)間分辨率提高到了亞皮秒量級(jí)；對(duì)每一

4、厚度的鋁膜樣品均進(jìn)行了上百次的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，提高了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度；同時(shí)，主要成像設(shè)備沒有采用沖擊波研究中普遍采用的、價(jià)格昂貴的條紋相機(jī)，而是采用了國(guó)產(chǎn)的、普通的外觸發(fā)式相機(jī)，為常規(guī)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行不透明材料的超快激光激波實(shí)驗(yàn)研究工作開辟了一條切實(shí)可行的途徑。
　　利用上述的實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)，采用脈沖寬度為130fs的飛秒激光脈沖為光源，利用閃光高速攝影技術(shù)對(duì)單個(gè)飛秒激光脈沖（功率密度I=7.84×1013W/cm）在2不同厚度鋁膜（厚度范圍

5、為3~10μm）中的渡越時(shí)間t進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量研究工作。測(cè)量得到的鋁膜后表面的時(shí)間分辨超快顯微圖像表明，高斯型的飛秒激光脈沖在3~10μm厚的鋁膜中能夠感生平面性、穩(wěn)定性和干凈性較為理想的一維平面激波。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到飛秒激光激波在鋁膜中的傳播速度D=9.0±0.4km/s。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)已知的鋁膜和α-石英晶體的物態(tài)方程，以及界面上沖擊壓力P和粒子速度u連續(xù)的原理，理論計(jì)算得到了飛秒激光激波在鋁膜中所感生的沖擊壓力為P=69

6、±5GPa，相應(yīng)的沖擊溫度為T=1852±400K；在α-石英晶體中所感生的沖擊壓力約為P≈55GPa，相應(yīng)的沖擊溫度約為T≈4344K。
　　本課題研究工作獲得的結(jié)果為今后將進(jìn)行的、具有重要研究?jī)r(jià)值的α-石英晶體材料的超快激光激波沖擊動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究提供了重要的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。本課題研究工作充分證明，以飛秒激光脈沖為光源，利用超快時(shí)間分辨顯微成像技術(shù)進(jìn)行飛秒激光激波的實(shí)驗(yàn)測(cè)量研究是完全可行的。
　　本文工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目