超短脈沖激光燒蝕固體材料的物理機(jī)制及其在激光推進(jìn)中的應(yīng)用.pdf

1、超短脈沖激光技術(shù)在過(guò)去十幾年中的快速發(fā)展，不僅使超短脈沖激光成為物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)以及醫(yī)學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域中不可替代的重要研究手段，而且使其在微納加工、非線性顯微成像、燒蝕激光推進(jìn)等一些關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。超短、超強(qiáng)激光脈沖燒蝕固體材料是一種非常重要的基本物理過(guò)程。人們?cè)趯?duì)這一過(guò)程的認(rèn)識(shí)和研究中，還存在許多未能解答的科學(xué)問(wèn)題。對(duì)超短激光脈沖燒蝕機(jī)制的研究，不僅對(duì)激光技術(shù)的應(yīng)用而且對(duì)物理科學(xué)本身都有極其重要的意義。本

2、論文對(duì)高強(qiáng)度飛秒激光脈沖燒蝕固體材料的動(dòng)態(tài)過(guò)程和物理機(jī)制進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)超短激光脈沖在燒蝕激光推進(jìn)中的應(yīng)用進(jìn)行了比較深入的探索。論文主要內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　 1.利用飛秒時(shí)間分辨泵浦.探測(cè)陰影成像技術(shù)記錄了脈沖寬度為50 fs、激光流量為40 J/cm2的飛秒激光脈沖燒蝕金屬鋁、半導(dǎo)體硅以及絕緣體玻璃這三種物質(zhì)的超快(皮秒－納秒)動(dòng)態(tài)演變過(guò)程。首次在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到標(biāo)志燒蝕噴射物處于瞬間透明狀態(tài)的規(guī)則半圓形衍

3、射條紋：在激光脈沖轟擊靶材后10 ns的時(shí)間延遲內(nèi)，在鋁靶和硅靶的燒蝕時(shí)間分辨圖像中觀測(cè)到三次物質(zhì)噴射現(xiàn)象，在玻璃靶的燒蝕時(shí)間分辨圖像中觀測(cè)到兩次物質(zhì)噴射現(xiàn)象。
　　 2.依據(jù)現(xiàn)有的超短脈沖激光燒蝕理論，通過(guò)對(duì)所記錄的燒蝕過(guò)程的超快時(shí)間分辨圖像的分析研究，提出了對(duì)飛秒激光脈沖燒蝕固體材料超快動(dòng)態(tài)演變過(guò)程的新的理解，揭示了在40 J/cm2這一遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)所用靶材燒蝕閾值的激光流量下，50 fs激光脈沖燒蝕上述三種固體材料的過(guò)程是同

4、時(shí)涉及光熱機(jī)制和光機(jī)械機(jī)制的復(fù)合過(guò)程。我們將形成規(guī)則半圓形衍射條紋的物質(zhì)噴射歸因于光熱機(jī)制；而將這次物質(zhì)噴射之后，觀察到的后續(xù)物質(zhì)噴射歸因于光機(jī)械機(jī)制，是飛秒激光脈沖超快加熱在靶內(nèi)產(chǎn)生的具有極大應(yīng)力和應(yīng)力梯度的熱彈力波的馳豫導(dǎo)致了后續(xù)的物質(zhì)噴射。
　　 3.利用飛秒時(shí)間分辨泵浦.探測(cè)陰影成像技術(shù)記錄具有不同激光流量(從40J/cm2到4 J/cm2)的50 fs激光脈沖燒蝕鋁靶的超快動(dòng)態(tài)過(guò)程，首次揭示出隨著泵浦激光脈沖激光流量的

5、下降，光機(jī)械機(jī)制導(dǎo)致的物質(zhì)噴射在總的物質(zhì)噴射中所占的比例越來(lái)越大的重要規(guī)律。
　　 從我們記錄的飛秒激光脈沖燒蝕固體材料的超快時(shí)間分辨圖像中可以觀察到，光熱機(jī)制導(dǎo)致的物質(zhì)噴射具有105m/s的速度；而后續(xù)的光機(jī)械機(jī)制導(dǎo)致的物質(zhì)噴射速度相對(duì)較慢，但其噴射速度也可達(dá)到104 m/s的量級(jí)。如此高的噴射速度在航空航天推進(jìn)中意味著104-103 s的比沖，遠(yuǎn)高于化學(xué)推進(jìn)能夠?qū)崿F(xiàn)的比沖上限(500 s)。因此，利用超短激光脈沖燒蝕固體材料

6、產(chǎn)生的推動(dòng)力有希望獲得一種新型的高比沖的推進(jìn)方式——燒蝕激光推進(jìn)。
　　 4.設(shè)計(jì)并搭建了一個(gè)測(cè)量靈敏度為2×10-9 N·s的用于測(cè)量超短激光脈沖燒蝕固體靶材產(chǎn)生動(dòng)量的扭秤測(cè)量系統(tǒng)。根據(jù)扭秤的測(cè)量結(jié)果，可以確定燒蝕激光推進(jìn)的沖量耦合系數(shù)和比沖等重要性能參數(shù)。
　　 5.利用扭秤測(cè)量了超短激光脈沖燒蝕多種靶材產(chǎn)生的動(dòng)量隨脈沖寬度、激光流量、單脈沖能量及激光偏振的變化。主要結(jié)果如下：
　　 1)首次在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)由5

7、0 fs-12 ps不同脈寬的激光脈沖燒蝕位于聚焦透鏡幾何焦點(diǎn)上的石墨、鋁、鐵和銅4種靶材產(chǎn)生的動(dòng)量隨激光脈寬的增加先快速增大而后基本保持不變的重要規(guī)律，分割這兩個(gè)變化階段的特征脈寬為1～2ps，具體數(shù)值與靶材有關(guān)。
　　 2)分別使用脈沖寬度為50 fs和12 ps的超短激光脈沖燒蝕鋁、鐵和銅，測(cè)量出燒蝕產(chǎn)生的動(dòng)量隨激光流量的變化關(guān)系，確定了能夠產(chǎn)生最大沖量耦合系數(shù)的最佳激光流量。
　　 6.利用原子力顯微鏡測(cè)量了單個(gè)

8、超短激光脈沖燒蝕位于透鏡幾何焦點(diǎn)上的鋁靶時(shí)去除物質(zhì)的量，結(jié)合扭秤的測(cè)量數(shù)據(jù)，確定了燒蝕激光推進(jìn)的比沖。結(jié)果表明，50 fs激光脈沖燒蝕鋁靶的比沖可達(dá)104 s，通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了比沖和沖量耦合系數(shù)的近似線性反比關(guān)系。
　　 7.利用飛秒時(shí)間分辨泵浦.探測(cè)陰影成像技術(shù)記錄具有最佳激光流量的50fs激光脈沖燒蝕銅靶的超快動(dòng)態(tài)過(guò)程，揭示了具有最佳激光流量的50 fs激光脈沖燒蝕銅靶的過(guò)程是光機(jī)械機(jī)制占主導(dǎo)的燒蝕過(guò)程，最佳沖量耦合系數(shù)

9、的產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于具有較大的燒蝕面積和較小的噴射速度的靶材燒蝕過(guò)程。
　　 8.首次開展了利用單脈沖能量在毫焦量級(jí)的聚焦的超短激光脈沖轟擊質(zhì)量在毫克量級(jí)的不同材質(zhì)的小球的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量小球因激光燒蝕而被推進(jìn)的距離，計(jì)算出沖量耦合系數(shù)。分別進(jìn)行了單脈沖和連續(xù)脈沖(重復(fù)頻率1 kHz)推進(jìn)，水平和豎直推進(jìn)的實(shí)驗(yàn)，獲得了幾個(gè)dyne/W的沖量耦合系數(shù)；分別使用不同焦距(10 cm到111 cm)的透鏡聚焦超短激光脈沖，研究了緊聚焦和激光成絲