超短脈沖激光燒蝕固體材料的物理機制及其在激光推進(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、超強激光脈沖燒蝕固體材料是一種非常重要的基本物理過程。人們在對這一過程的認(rèn)識和研究中，還存在許多未能解答的科學(xué)問題。對超短激光脈沖燒蝕機制的研究，不僅對激光技術(shù)的應(yīng)用而且對物理科學(xué)本身都有極其重要的意義。本

2、論文對高強度飛秒激光脈沖燒蝕固體材料的動態(tài)過程和物理機制進(jìn)行了實驗和理論研究，并在此基礎(chǔ)上，對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.利用飛秒時間分辨泵浦.探測陰影成像技術(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)動態(tài)演變過程。首次在實驗中觀測到標(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的時間延遲內(nèi)，在鋁靶和硅靶的燒蝕時間分辨圖像中觀測到三次物質(zhì)噴射現(xiàn)象，在玻璃靶的燒蝕時間分辨圖像中觀測到兩次物質(zhì)噴射現(xiàn)象。
　　 2.依據(jù)現(xiàn)有的超短脈沖激光燒蝕理論，通過對所記錄的燒蝕過程的超快時間分辨圖像的分析研究，提出了對飛秒激光脈沖燒蝕固體材料超快動態(tài)演變過程的新的理解，揭示了在40 J/cm2這一遠(yuǎn)高于實驗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程是同

4、時涉及光熱機制和光機械機制的復(fù)合過程。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)噴射歸因于光機械機制，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.利用飛秒時間分辨泵浦.探測陰影成像技術(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態(tài)過程，首次揭示出隨著泵浦激光脈沖激光流量的

5、下降，光機械機制導(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間分辨圖像中可以觀察到，光熱機制導(dǎo)致的物質(zhì)噴射具有105m/s的速度；而后續(xù)的光機械機制導(dǎo)致的物質(zhì)噴射速度相對較慢，但其噴射速度也可達(dá)到104 m/s的量級。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)計并搭建了一個測量靈敏度為2×10-9 N·s的用于測量超短激光脈沖燒蝕固體靶材產(chǎn)生動量的扭秤測量系統(tǒng)。根據(jù)扭秤的測量結(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.利用扭秤測量了超短激光脈沖燒蝕多種靶材產(chǎn)生的動量隨脈沖寬度、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)首次在實驗中發(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上的石墨、鋁、鐵和銅4種靶材產(chǎn)生的動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，測量出燒蝕產(chǎn)生的動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量了單個

8、超短激光脈沖燒蝕位于透鏡幾何焦點上的鋁靶時去除物質(zhì)的量，結(jié)合扭秤的測量數(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，通過實驗進(jìn)一步證實了比沖和沖量耦合系數(shù)的近似線性反比關(guān)系。
　　 7.利用飛秒時間分辨泵浦.探測陰影成像技術(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態(tài)過程，揭示了具有最佳激光流量的50 fs激光脈沖燒蝕銅靶的過程是光機械機制占主導(dǎo)的燒蝕過程，最佳沖量耦合系數(shù)

9、的產(chǎn)生對應(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程。
　　 8.首次開展了利用單脈沖能量在毫焦量級的聚焦的超短激光脈沖轟擊質(zhì)量在毫克量級的不同材質(zhì)的小球的實驗，通過測量小球因激光燒蝕而被推進(jìn)的距離，計算出沖量耦合系數(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)的實驗，獲得了幾個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