摘 要: 建立了一套光学记录速度干涉仪系统(ORVIS),用于测量强激光产生的冲击波状态方程中的自由面速度。该光学记录速度干涉仪系统的时间分辨率为179 ps,可以测量自由面速度随时间变化的整个过程。在天光KrF高功率准分子激光装置上进行激光打靶实验,激光波长248.4 nm,脉冲宽度25 ns,最大输出能量158 J。在激光功率密度为6.24×1011W·cm-2的条件下,测得厚20μm铁膜的自由面速度可达3.86 km/s;在激光功率密度7.28×1011W·cm-2条件下,100μm铝膜(靶前有100μm的CH膜作为烧蚀层)的自由面速度可以达到2.87 km/s。
实验研究在强冲击波作用下各种材料的状态方程,对于新材料科学、地球物理学研究等多个领域都有重要的理论意义和广阔的应用前景。近年来,在实验室利用强激光产生稳定的冲击波研究物质的状态方程已经实现。但是由于用激光产生冲击波是一个高速变化的过程,它的产生、传播、反射、衰减、消失全过程一般都在ns量级甚至更短的时间内,因此利用激光产生冲击波来精确测量状态方程中的数据是实验中的难题。
大多数状态方程数据都是采用相对测量的方法进行测量,如阻抗匹配法等,很少用绝对测量法测量自由面速度。激光速度干涉仪是被普遍接受的测量自由面速度的诊断设备,可直接记录靶后表面速度随时间的变化[1-4],而且光学记录速度干涉仪具有很高的时间分辨率,数据处理比较简单[5-9]。本文建立了光学记录速度干涉仪系统(ORVIS),以此对状态方程自由面速度数据进行直接测量。
1 ORVIS实验装置
光学记录速度干涉仪系统如图1所示,采用光谱物理公司的氩离子激光器,氩离子激光器经过单色和线宽压缩处理,输出波长为514.5 nm。氩离子激光通过一个带有3 mm直径小孔的全反镜M3,然后经过一个焦距为100 mm,直径为20 mm的透镜L2聚焦到靶表面上,进行靶表面的自由面速度的测量。氩离子激光的焦点直径约为45μm,和KrF激光的焦点经过严格对正。靶表面的散射光经过透镜L2收集,收集光按照原光路平行返回,在全反镜M3处入射光和收集到的散射光被分开,然后经过缩束望远镜变为直径为10 mm的平行光束,进入干涉仪系统。
光学记录速度干涉仪系统两路光的光程不同,采用熔石英标准具E在干涉仪的其中一路产生延时。缩束后的光经过分束镜BS2分成两路,经过反射又重新在分束镜BS2上重合,产生干涉。小角度旋转M1,那么在垂直于转方向上就会产生相互平行的直线干涉条纹。所产生的干涉图像在平行于干涉条纹方向用柱面镜CL压缩,进入条纹相机。下面提到的实验中,采用的光学记录速度干涉仪系统的时间分辨率为179 ps,通过缩小标准具的长度,可以实现几十ps的时间分辨率。
用光学记录速度干涉仪系统测量自由面速度的变化过程,是通过观测条纹的变化而得到的。自由面速度的变化与干涉条纹在垂直于条纹方向上的移动y(t)的关系为
式中:λ是氩离子激光的工作波长;d是干涉条纹的条纹间隔;τ是光学记录速度干涉仪两路光的延时时间,τ=2h(n-n-1)/c,h是融石英标准具的厚度,n是熔石英标准具的折射率;而(1+δ)是由于激光频率的变化而对光程造成影响的修正,当波长为514.5 nm时,利用Malitson公式可以算出δ=0.033 9。
2 实验结果
激光打靶实验在“天光”高功率KrF准分子激光器上进行,波长为248.4 nm,总能量输出高达158 J,半宽度为25 ns。六路激光采用诱导空间非相干(EFISI)光束平滑技术,光束均匀性小于2%,靶面有效焦斑尺寸(含78%的总能量)为400μm[10]。
2.1 铁的自由面速度的测量
实验中KrF激光的功率密度为6.24×1011W·cm-2,铁膜靶厚为20μm。光学记录速度干涉仪系统所采用的条纹常数为1.437 km/s,也就是变化一个条纹间隔d时对应的自由面速度v(t)。光学记录速度干涉仪记录图像见图2,时间方向是从右到左,图中显示了6条可以利用的干涉条纹在冲击波没有到达靶后表面时,干涉条纹为平行于时间轴的直线条纹,冲击波达到时开始发生变化。
根据公式(1),可以计算自由面速度的变化情况,其中条纹间隔d是所有条纹间隔的平均值,即
其中N是条纹数,本文中N=6。
计算得出自由面速度的变化曲线如图3所示。铁的自由面速度最终可以达到3.86 km/s,条纹变化数为2.68,在此实验中条纹缓慢变化,速度上升缓慢,所以没有条纹丢失现象。
根据实验条件利用Hyades程序进行了数值模拟,图4是模拟得到的在相同条件下铁的自由面速度变化的情况。实验测量结果和模拟结果虽然有一些差距,但是基本类似,因此可以通过数值模拟来解决在以后的实验中因为条纹变化太快而形成的条纹丢失问题。
2.2 铝的自由面速度的测量
实验中的KrF激光的功率密度为7.28×1011W·cm-2,采用双层靶结构,迎光面以100μm厚CH膜作为烧蚀层,背面是100μm厚的铝膜。
光学记录速度干涉仪系统所采用的条纹常数也是1.437 km/s,速度记录图像见图5。时间方向是从右到左,在图中显示了5条可以利用的干涉条纹。在冲击波没有到达靶后表面时,干涉条纹为平行于时间轴的直线条纹,冲击波到达时干涉条纹开始运动。在此实验中由于加入了烧蚀层,形成冲击波,速度迅速上升。
在此实验中出现了条纹丢失问题,无法从光学记录速度干涉仪系统所得图像中直接得到条纹丢失数,因此在处理数据以前先对实验情况进行了Hyades数值模拟,模拟结果如图6所示。
由图6和图5与条纹常数相比较可得出,在此实验中的条纹丢失数为2。实验所得的铝的自由面速度近似如图7所示,最高速度约为2.87 km/s。
3 结 论
为了实验研究状态方程的需要,建立了一台光学记录速度干涉仪系统。该系统的主要优点是具有很高的时间分辨率,值为179 ps,并且可以记录自由面随时间变化的整个过程。通过实验说明光学记录速度干涉仪系统可以满足状态方程诊断的需要,为状态方程中参数的测量提供了一种新的高精度的诊断设备。
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本文作者：路建新, 王 钊, 梁 晶, 单玉生, 周创志, 向益淮, 陆 泽, 汤秀章
