激光驱动靶丸超高速发射研究

本文通过理论模拟和实验相结合的方法,对激光驱动靶丸超高速发射以及超高速靶丸撞击防护材料进行研究。首先利用辐射流体程序HYADES对靶的飞行速度进行了理论模拟预估,其次在中国工程物理研究院神光Ⅲ原型装置上开展实验验证,得到了将直径200 μm的铝球加速至44 km/s的实验结果,完成了高速铝球与防护材料撞击测试,并通过撞击形态验证了该材料的防护效果。本研究在模拟在轨航天器空间碎片撞击与防护方面具有十分重要意义。     

长脉冲KrF激光驱动高速飞片实验研究

利用侧向阴影成像技术开展了激光驱动高速金属飞片实验研究,并介绍了飞片实验系统与条纹相机时空标定结果。实验在辐照激光波长248 nm、脉宽28 ns、能量100 J、功率密度1.8×10¹²W/cm²的条件下加速带有50 μm烧蚀层的5 μm铝飞片至10 km/s左右。讨论了不同条件下加速过程的区别,分析了冲击波对飞片加速过程的影响,并从铝、钽飞片实验对比中发现激光烧蚀不同材料的能量转化效率是不同的。     

激光均匀性对冲击波平面性的影响

利用两种方法研究了激光空间均匀性对冲击波平面性的影响。一种是根据冲击波在靶背卸载辐射可见光的平面性来判断冲击波平面性;另一种是基于成像型速度干涉仪测量的靶背自由面速度变化引起干涉条纹跃变间断面的平面性判断冲击波平面性,同时由条纹移动后持续时间了解流体力学不稳定性演化情况。研究表明,不均匀性为2%的激光驱动的冲击波平面性较好,能发射高速飞片,且飞片具有很好的平面性与完整性;不均匀性为5%的激光产生的冲击波平面性很差,不能发射完整的高速飞片。说明激光均匀性对冲击波平面性具有决定性的影响。     

相对论飞秒激光与微结构靶相互作用增强太赫兹波产生的数值模拟研究

为了增强相对论飞秒激光与固体靶相互作用下太赫兹波的产生,提出了前端锥形开口的纳米丝靶结构,并通过胞中粒子法(Particle-In-Cell)数值模拟,研究了该结构对太赫兹波产生的影响,还与普通结构的纳米丝靶所产生的太赫兹波结果进行了对比。结果显示,前端锥形开口的纳米丝靶结构能够明显增强太赫兹波的产生,在探测点位置得到了比普通纳米丝靶中的太赫兹波电场强3倍的结果。最后详细分析了不同靶型结构影响太赫兹波产生的物理因素,发现不同靶型结构通过影响入射激光的吸收与反射,进而影响靶后超热电子的能量与数目。上述研究结果将有助于推动强场太赫兹波领域的发展,为实验研究提供方案和数据支撑。     

高压下惰性气体晶体的第一性原理研究

利用第一性原理,研究了惰性气体晶体的晶体结构和非金属-金属转变。晶体的焓差显示：氦、氖晶体在高压下未发生结构相变,分别保持六角密堆积结构和面心立方;而氩、氪、氙晶体分别在192、95、40GPa从面心立方结构转变为六角密堆积结构。通过研究惰性气体晶体的能带随压强的变化,发现氦、氖、氩、氪、氙的非金属 金属转变压强分别为22000、319000、578、365、149GPa,这与实验结果接近。     

天光一号预放大器自动准直技术研究

天光一号高功率KrF准分子激光装置采用光学角多路实现了六束激光的主振荡功率放大,其光路复杂,人工调节繁琐,指向精度难以保证,且激光波长为248 nm,属于深紫外波段,无法采用常用的光束自动准直方法。为了保障六束激光聚焦叠加并稳定精准地照射到靶面上,需开展适合天光一号装置激光参数及光路特性的自动准直技术研究。本文以预放大器三束输入、输出光路为研究对象,探索适合天光一号装置的自动准直方法,建立了预放大器光路自动准直系统,实现了快速、高精度光束的调节,验证了自动准直方案的可行性,为天光一号KrF准分子激光装置实现全光路自动准直奠定了技术基础。     

台阶靶内冲击波速度的测量

冲击波速度是状态方程试验中重要的测量数据，可用特殊靶来实现直接测量。根据实验室的条件，尝试自制台阶靶，通过条纹相机对台阶边缘两侧的光信号进行记录，可直观测算出靶内冲击波的瞬时平均速度。     

激光驱动冲击压缩下金属Al的高压声速研究

为研究Al材料的高压动态响应特性,采用激光驱动冲击压缩加载法和加窗VISAR法,开展了金属Al样品的高压声速研究,并完成了相关靶物理过程模拟与小尺度靶结构参数设计。实验获得了冲击加载与追赶稀疏物理过程图像,靶样品的纵波声速与理论预估结果相符。     

基于天光一号装置的激光直接驱动准等熵压缩研究

采用一种新型的激光驱动准等熵压缩方式,利用KrF准分子激光长脉宽的特点,在不经过脉冲整形的情况下在带窗口铝靶上实现了激光直接驱动准等熵压缩。实验前,对激光光束和靶结构进行了匹配设计。激光打靶获得的峰值压力为16.8 GPa,压力上升前沿约为17.0 ns,与辐射流体力学数值模拟结果一致,验证了实验方法的可行性和天光一号装置的稳定性和可重复性。通过分析受辐照后靶的损伤形貌与结构特征,发现受辐照区域铝膜完全气化,在辐照区域边缘形成溅射堆积状。辐照前后材料组织结构稳定,在高温高压作用下未形成新物质。最后,基于一维辐射流体力学模拟程序研究了不同激光功率密度对准等熵压缩加载过程影响规律,并采用热力学定律计算了其熵增,获得了其变化规律。     

多路激光聚焦系统的均匀性分析

本文建立了一套光束焦斑均匀性测量系统,获得了单束与多束聚焦系统的焦斑图像。基于Matlab图像处理与图形用户界面（GUI）设计技术,开发了一套多束激光聚焦系统的均匀性计算程序,可快速有效地给出单束与多束聚焦模拟的不均匀因子与相应的能量占有率（又称桶中功率,PIB）。计算结果表明：当能量占有率为70%时,“天光一号”装置六束聚焦焦斑的不均匀因子小于2%,可为状态方程实验研究提供均匀的焦斑条件。