[發明專利]一種激光驅動形成近球狀飛片的方法

有效

• 申請號: 201611052083.4
• 申請日: 2016-11-24
• 公開（公告）號: CN106378534B
• 公開（公告）日: 2018-03-16
• 發明（設計）人: 魏強;盧紅;黃歡歡;劉浩銳;白羽
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: B23K26/362
• 分類號: B23K26/362
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所12201
• 代理人: 李麗萍

技術領域

本發明涉及激光驅動技術領域，特別是一種利用激光驅動近球形飛片的方法。

背景技術

空間環境中存在大量的各種形狀的碎片，但是主要有球狀、柱狀和片狀。其中球狀和柱狀的碎片撞擊對材料的損傷最大。現在模擬空間球狀碎片的技術主要有二級輕氣炮技術和電炮加速技術。二級輕氣炮技術可以驅動直徑范圍在1-10nm之間球狀和柱狀粒子。但是每次驅動都會產生大量的粒子，速度分布范圍廣，不能研究單個粒子產生損傷效應。電炮加速技術主要用于驅動mm級非金屬材質的高速單粒子彈丸，具有一定的局限性。

激光驅動飛片技術結構簡單、發射成本較低、容易與其他環境因素一起組成綜合環境模擬設備、沒有化學污染和電磁干擾、容易使碎片與撞擊損傷處形成一一對應關系、特別方便試驗過程的參數測量和試驗結構的分析評價等。激光驅動飛片技術以其充分的可行性和相對簡易的操作性，逐漸發展成為地面模擬空間碎片環境的主要手段。

目前，激光驅動飛片技術只能驅動片狀飛片，針對空間環境中還存在著大量的近球狀碎片尚無法模擬。所以激光驅動飛片技術的地面模擬實驗具有一定的局限性。

發明內容

本發明針對以上問題，通過飛片靶的改進和調節激光光斑的，從而得到一種近球狀的飛片粒子。

為了解決上述技術問題，本發明提出的一種激光驅動形成近球狀飛片的方法，首先制備出一種用于激光驅動的飛片靶，所述飛片靶上布置有多個一端具有半球冠的圓柱狀凸起，所述半球冠與圓柱的直徑相同；采用激光驅動飛片時，激光束經聚焦鏡聚焦后在所述飛片靶上所形成的激光光斑分別與所述飛片靶上圓柱狀凸起的橫截面形狀一一相對應，激光束自飛片靶的圓柱狀凸起一端、且沿圓柱的軸向入射到飛片靶，經激光燒蝕驅動，最終將飛片靶上的一端具有半球冠的圓柱狀凸起激光燒蝕成為一個近球狀的飛片粒子。

上述激光驅動形成近球狀飛片的方法中，所述飛片靶上的半球冠凸起的直徑為D，D＝激光光斑直徑，所述飛片靶上的圓柱部分的高度為h，m<h≤0.5D+m，m為燒蝕層消耗厚度。燒蝕層消耗厚度有多種表達方法，經大量試驗驗證，所述燒蝕層消耗厚度m的計算公式采用如下：

式(1)中，A為燒蝕層材料的原子量；Z為等離子體的平均電離電荷；I為入射激光能量密度，單位為W/cm²；λ為入射光波長，單位為nm；τ為激光脈寬，單位為ns。

激光器脈沖的頻率為單次觸發，脈寬為5-20ns。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

本發明針對目前激光驅動飛片形狀的單一性，通過飛片靶的改進和調節激光光斑，從而得到一種近球狀的飛片粒子，可以更好地去模擬空間中多形態的粒子撞擊。本發明工藝簡單、方便實用且無污染，且對于激光驅動飛片技術有重大的意義。

附圖說明

圖1為本發明中飛片靶上具有半球冠的圓柱狀凸起的分布示意圖；

圖2是圖1中一個具有半球冠的圓柱狀凸起的側視圖；

圖3為飛片靶的燒蝕驅動中的形態示意圖；

圖4為激光驅動飛片燒蝕前后飛片形狀變化過程示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明技術方案作進一步詳細描述，所描述的具體實施例僅對本發明進行解釋說明，并不用以限制本發明。

本發明提出的一種激光驅動形成近球狀飛片的方法，主要是通過飛片靶的改進和調節激光光斑，從而得到一種近球狀的飛片粒子。具體過程如下：

首先制備出一種用于激光驅動的飛片靶，如圖1和圖2所示，所述飛片靶上布置有多個一端具有半球冠的圓柱狀凸起，所述半球冠與圓柱的直徑相同；制備飛片靶可以選用機械加工、光刻、等離子刻蝕、鍍膜生長等多種方法將飛片靶表面加工制備出具有半球冠的圓柱狀凸起。

采用激光驅動飛片時，調節激光束的激光光斑分別與所述飛片靶上圓柱狀凸起的橫截面形狀一一相對應，激光經聚焦鏡聚焦后自飛片靶的圓柱狀凸起一端、且沿圓柱的軸向入射到飛片靶，所述飛片靶上的半球冠凸起的直徑為D，D＝激光光斑的直徑，所述飛片靶上的圓柱部分(不含半球冠凸起部分)的高度為h，m<h≤0.5D+m，m為燒蝕層消耗厚度，所述燒蝕層消耗厚度m的計算公式如下：

式(1)中，A為燒蝕層材料的原子量；Z為等離子體的平均電離電荷；I為入射激光能量密度，單位為W/cm²；λ為入射光波長，單位為nm；τ為激光脈寬，單位為ns。激光燒蝕驅動過程中，激光器脈沖的頻率為單次觸發，脈寬為5-20ns。