飛秒激光激波特性的閃光高速攝影實驗研究.pdf

1、超快激光脈沖感生激波已經(jīng)成為動高壓物理領域中一個重要的實驗研究手段。由于超快激光激波在樣品中的渡越時間最長不超過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）的實驗測量是進行材料沖擊動力學研究工作的一個難題。
　　同時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，這對于進行諸如材料的沖擊相變研究等工程及材料領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制尚不

2、明確的情況下，搭建飛秒激光感生激波的實驗研究平臺，進行飛秒激光激波特性參數(shù)的實驗測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)介質的準平衡態(tài)理論，描述了超快激光激波在材料中產生和傳播的過程，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、沖擊溫度的理論計算方法。
　　在此基礎上，采用一維流體動力學中的特征線方法，對脈沖寬度分別為飛秒、皮秒和納秒量級的

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

4、厚度的鋁膜樣品均進行了上百次的重復性實驗，提高了測量結果的準確度；同時，主要成像設備沒有采用沖擊波研究中普遍采用的、價格昂貴的條紋相機，而是采用了國產的、普通的外觸發(fā)式相機，為常規(guī)實驗室進行不透明材料的超快激光激波實驗研究工作開辟了一條切實可行的途徑。
　　利用上述的實驗研究平臺，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對單個飛秒激光脈沖（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）中的渡越時間t進行了實驗測量研究工作。測量得到的鋁膜后表面的時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。通過對實驗數(shù)據(jù)進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，相應的沖擊溫度約為T≈4344K。
　　本課題研究工作獲得的結果為今后將進行的、具有重要研究價值的α-石英晶體材料的超快激光激波沖擊動力學實驗研究提供了重要的實驗參數(shù)。本課題研究工作充分證明，以飛秒激光脈沖為光源，利用超快時間分辨顯微成像技術進行飛秒激光激波的實驗測量研究是完全可行的。
　　本文工作得到國家自然科學基金項目