专利名称：：利用激光制备微结构靶提高激光推进冲量耦合系数的方法
技术领域：
：本发明属于激光推进技术中所用固体靶材的结构设计与制作领域，具体涉及应用飞秒激光脉冲在固体靶表面制备获得多种形态的微结构，并通过实验精密测量表明这些微结构的固体靶可以有效地提高和增强烧蚀激光推进中的冲量耦合性能。
背景技术：
：激光推进技术是人类自上世纪50年代将人造卫星送入地球轨道以来，第一种可能实现近地轨道发射任务的新型推进技术。激光推进技术与传统的化学推进技术相比，具有载荷比更高、推进参数(冲量耦合系数和比冲)调节范围更大、以及可以超越每一级化学燃料火箭的最大速度限制的优点。在不远的将来，激光推进技术很有希望在空间垃圾清除、飞行器姿态调整、飞行器轨道机动以及近地轨道发射乃至深空飞行任务中发挥重要的作用。激光推进的最初概念由美国空军火箭推进实验室(AFRPL)WR.L.Geisler等人于1969年提出。1974年，A.N.Pirri等人开展了脉冲宽度100s、波长10.6m的长脉冲激光推进实验，获得了10-100dyne/W的冲量耦合系数Propulsionbyabsorptionoflaserradiation.AIAAJ.，1974，12(9):1254-1261。1997年L.N.Myrabo等人在使用单脉冲能量400J，脉冲重复频率25Hz的10kW脉冲二氧化碳激光器，以空气作为推进剂，首次成功试验了线导的激光推进实验。在同时期，C.R.Phipps等人也致力于脉冲激光与物质相互作用产生的冲量耦合系数和比冲的研究工作，并获得了不同波长、不同脉冲宽度的激光通过烧蚀产生最大冲量耦合系数的最佳激光流量Laserimpulsecouplingat130fs.App1.Surf.Sci.,2006，252(13):4838-4844。2000年以来，A.V.Pakhomov等人利用皮秒激光脉冲开展了烧蚀激光推进的研究，并在不同激光流量和入射角条件下研究了铅、铝、聚甲醛树脂、聚四氟乙烯等多种材料在烧蚀激光推进中的性能，寻找最适宜的冲量耦合系数和比冲的组合Ablativelaserpropulsion:anupdate,part1.2ndinternationalsymposiumonbeamedenergypropulsion,2004.702:166-177。2002年V.V.Apollonov等人提出利用一个高重复频率脉冲激光诱导的冲击波序列形成一个接近平面的强冲击波，从而有效地提高冲量耦合胃—Stablegenerationandmergingofshockwavesforlightcraftapplications:part1.3rdinternationalsymposiumonbeamedenergypropulsion,2005.766:205-215。2002年T.Yabe等人用水覆盖金属靶的表面，制成所谓的水炮靶(watercannontarget)，在YAG激光器输出的脉冲宽度5ns的脉冲激光作用下，水炮靶的冲量耦合系数可以达至丨J350dyne/W[Microairplanepropelledbylaserdrivenexotictarget.App1.Phys.Lett.,2002,80(23):4318-4320，与使用纯金属靶相比，成倍地提高了冲量耦合系数。随后他们在水炮靶的基础上作了进一步的改进，又提出了metalfreewatercannontarget(MFWC)和waterfilmcannontarget(WFC)两种靶结构，冲量耦合系数分别达到240dyne/W禾口368dyne/W[LaserPropulsionUsingMetal-FreeWaterCannonTarget.3rdinternationalsymposiumonbeamedenergypropulsion,2005.766:394-405]。在国内，2006年，中科院物理所的研究组使用中心波长532nm、最大单脉冲能量800mj、脉宽7ns的激光脉冲烧蚀water-confinedtarget(与watercannontarget相似)获得了超过250dyne/W的冲量耦合系数Enhancementofcouplingcoefficientoflaserplasmapropulsionbywaterconfinement.App1.Phys.A,2006,85,441-443。2007年，中国科学技术大学的唐志平研究组用水作为推进剂，使用波长1.064ym、单脉冲能量1.2J、脉宽12ns的YAG激光脉冲，获得了350dyne/W的冲量耦合系数激光水推进技术的实验研究，实验力学，2007，22(1):43-48。虽然激光推进，特别是长脉冲激光推进的冲量耦合系数已经远远高于传统化学推进方式所能实现的冲量耦合系数，但是在激光和靶材作用的过程中不可避免地会发生激光能量的反射、散射和透射，从而造成激光能量的浪费。因此，如何发展新型的高效吸收激光能量的靶材已成为现阶段激光推进领域内的一个重要课题。近年来，随着超短脉冲激光技术的迅猛发展，超快激光加工技术作为一种实现功能结构与器件微、纳米化的新兴手段受到越来越多的关注。与传统的平面工艺相比较，飞秒激光微细加工与制备技术具有操作简单、灵活、速度快、成本低等优点。目前，人们利用飞秒激光已在多种材料表面或内部实现了亚微米尺度上的加工Enhancingnear-infraredavalanchephotodiodeperformancebyfemtosecondlasermicrostructuring,AppliedOptics,2006,45(35):8825-8831，解决了实际应用中的一些关键技术问题。最近，研究者Μ夺单束Periodicorderingofrandomsurfacenanostructuresinducedbyfemtosecondlaserpulsesonmetals,JournalofAppliedPhysics,2007,101:034903；Ultra-broadbandenhancedabsorptionofmetalsurfacesstructuredbyfemtosecondlaserpulses〃，OpticsExpress,16(15):11259-11265(2008)或多束Enhancedopticalabsorptanceofmetalsusinginterferometricfemtosecondablation,OpticsExpress,2007,15(21):13838-13843飞秒激光照射到金属表面诱导产生了三种不同类型的微、纳米结构，并在实验上测得这些表面具有微纳结构的金属材料能够对紫外_可见-中红外宽波段范围的入射电磁波具有明显的减反射特性。然而，已有的相关研究大都局限于对飞秒激光诱导微纳结构现象的一般性描述，目前我们还未见到应用飞秒激光对烧蚀激光推进中的固体靶的加工设计与制作，并进一步测量证实其在烧蚀激光推进中冲量耦合性能的相关报道。
发明内容本发明所要解决的技术问题是如何利用飞秒激光微加工技术对烧蚀激光推进中的固体靶材进行表面预处理，掌握其中的关键技术与方法，并通过采用新型微结构靶有效增强由推进激光烧蚀产生的冲量耦合系数，从而实现对烧蚀激光推进整体效率的进一步提升。与未经飞秒激光预处理的普通平面固体靶相比，这些表面具有微结构的固体靶在烧蚀激光推进过程中可将冲量耦合系数提高约170%。本发明技术方便、快捷、可操作性高，克服了传统结构设计与制作技术方法所带来的繁杂工序。本发明解决该技术问题所采用的技术方案是应用飞秒激光脉冲在烧蚀激光推进固体靶(以金属样品为例)表面制备产生多种形式的微结构，并通过高灵敏度扭秤装置的建立和精确测量，发现和证实这些微结构固体靶比未经飞秒激光预处理的相应靶材的冲量耦合系数增大约170%，为进一步有效提高激光推进效率提供新方法。其步骤是第一步，将选作用于烧蚀激光推进靶的固体材料，例如金属铝样品，进行表面机械打磨和抛光，而后用去离子水超声清洗，然后再置于清洁开口容器中待其风干，作为靶样品。第二步，在空气环境中，使用显微物镜或光学透镜将飞秒激光脉冲聚焦后垂直照射在第一步抛光处理后的样品材料表面，并通过观测材料表面烧蚀区域的大小来寻找和确定激光焦点的准确位置，然后再将样品表面沿逆光束方向调整至远离焦平面的适当位置处。第三步，设定飞秒激光加工参数为脉冲重复频率1千赫兹、脉冲持续时间50飞秒、脉冲中心波长800纳米，并使得入射激光脉冲为线偏振光激光脉冲为线偏振光。第四步，将待处理的固体靶样品放置在三维精密移动平台上，并通过计算机来控制样品在空间上的移动，最小移动精度为1微米，样品移动速度可在0.05-1毫米/秒范围内选择。第五步，在保持入射激光束不变的情况下，通过选取合适的激光能量，并将待处理固体靶样品在与光束垂直平面内进行逐行移动扫描，实现在固体靶样品表面上的大面积微结构制备。样品移动方向与偏振方向可以成任意夹角，相邻两条扫描线之间的距离可在2-100微米范围内选择。当入射飞秒激光脉冲的平均功率在40-250毫瓦范围内进行调节时，实验观察到样品表面产生的微结构形貌也会发生相应的改变，最终获得两种不同类型的微结构靶。第六步，将第五步飞秒激光处理后的固体靶样品用去离子水超声清洗，有效清除附着在样品表面的沉积物，并对其表面进行显微观察与测量。第七步，将第六步成功制备获得的表面微结构固体靶应用到烧蚀激光推进的实验系统中，并通过建立高灵敏度扭秤装置来精确测量其在激光烧蚀过程中的冲量耦合系数；第八步，在烧蚀激光推进过程中，当入射激光能量给定时，通过调节固体靶和聚焦透镜之间的距离可以使得光斑照射区域内的激光通量发生改变，从而分别测得普通平面靶和微结构靶的烧蚀激光推进冲量耦合系数随激光通量的变化关系，然后再通过对测量数据的分析，可以发现微结构固体靶能够有效地提高烧蚀激光推进的冲量耦合系数。上述第二步中所述的飞秒激光脉冲聚焦采用显微物镜或光学透镜，固体靶样品表面沿逆光束方向调整至远离焦平面10-250微米的位置范围处，这样能够避免激光焦点处的高激光通量对靶样品表面可能造成的深度烧蚀。上述第四步中所述固体靶样品的移动速度在0.05-1毫米/秒范围内选择，最小移动精度为ι微米，相邻两条移动扫描线之间的距离在2-100微米范围内选择。上述第五步中所述固体靶样品的移动扫描方向与入射飞秒激光脉冲的偏振方向成任意夹角；入射激光脉冲的平均功率在40-250毫瓦范围内变化；在靶样品表面制备获得的微结构类型包括周期性排布的颗粒状突起结构和周期性排布的沟槽结构。本发明的有益效果是(1)由于飞秒激光脉冲持续时间极短，即使较小的激光脉冲能量也可拥有极高的峰值功率。本发明中单个激光脉冲的峰值功率可高达4XIOki瓦，这将一方面会造成飞秒激光作用过程中伴随有诸多非线性物理效应，从而使得金属表面能够自组织形成不同形状的微纳米结构；另一方面，超快速的脉冲持续时间将会导致激光作用过程中的材料热传导效应在根本上得到减弱和消除，从而使得激光加工的空间范围可以控制在亚微米或纳米量级。相对于传统的平面曝光技术工艺而言，本发明所述的飞秒激光制备过程具有更加方便、快捷、无需其他辅助环境和工艺，样品表面可自组织形成多种形态的微结构等显著优点。(2)巨Ilf己*文Compactandrobustlaserimpulsemeasurementdevice,withultrashortpulselaserablationresults[C].Beamedenergypropulsion:5thinternationalsymposiumonbeamedenergypropulsion,AIPconferenceproceedings,NewYork:AmericanInstituteofPhysics,2008,997:147-158；Lightpropulsionofmicrobeadswithfemtosecondlaserpulses[J].Opt.Express,2004,12(15):3590-3598报道的金属靶材样品在飞秒激光烧蚀推进中的冲量耦合系数一般为几个达因/瓦(1达因=ΙΟ"5牛顿)，激光推进效率较低。本发明中所描述的具有表面微结构的金属靶推进器可将冲量耦合系数提高约170%，在与激光推进有关的应用中有望具有重要的应用前景。下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图1为实施例1未使用本发明方法处理的普通平面金属铝靶样品的扫描电子显微照片。图2为实施例2使用本发明方法经平均功率为40毫瓦飞秒激光预处理后获得的微结构金属铝靶样品的扫描电子显微照片。图3为本发明实施3所使用的经平均功率为140毫瓦飞秒激光预处理后获得的微结构金属铝靶样品的扫描电子显微照片。图4为本发明实施4所使用的经平均功率为250毫瓦飞秒激光预处理后获得的微结构金属铝靶样品的扫描电子显微照片。图5为本发明实施1、2、3、4所使用的测量固体靶在烧蚀激光推进过程中冲量耦合系数的装置图。其中1表示超短激光脉冲；2表示焦距f=100毫米的光学透镜；3表示固体靶样品；4表示氦氖激光束；5表示焦距f=705毫米的光学透镜；6表示CCD探测器；7表示光纤；8表示可升降的潜望镜装置。图6为本发明实施1、2、3、4中测得的不同金属靶样品在烧蚀激光推进过程中冲量耦合系数随入射激光通量变化的关系图，其中表示未经飞秒激光预处理的普通平面靶所得结果表示经过平均功率250毫瓦飞秒激光制备获得的微结构靶的所得结果；表示经过平均功率140毫瓦飞秒激光制备获得的微结构靶的所得结果；+表示经过平均功率40毫瓦飞秒激光制备获得的微结构靶的所得结果。具体实施例方式实施例1第一步，将10X10X2立方毫米的块状金属铝靶样品用400-800号水砂纸逐级打磨和机械抛光后，样品表面的扫描电子显微图片为如图1所示。用去离子水超声清洗，然后将其置于清洁开口容器中待用；第二步，建立高灵敏度的扭秤装置来精确测量上述普通金属铝靶样品在烧蚀激光推进过程中产生的动量，并研究冲量耦合的增强程度。实验装置如图5(a)所示。为了防止空气流动对扭秤测量的影响，整个扭秤装置置于一个密闭的有机玻璃罩中。用于烧蚀靶材的超短激光脉冲和用来探测扭秤转动的氦氖激光信号通过有机玻璃罩上的光学窗口进入罩子内部。其中扭秤由悬丝和扭摆两部分组成。扭秤使用的悬丝是包层直径125微米，纤芯直径8.2微米的标准单模通信光纤(SMF-28e，CorningInc.)。悬丝长778毫米。扭秤的扭摆也由两部分构成。摆中间是一个镀有铝膜的小的方形反射镜，基底为光学级加硬亚克力；摆的其余部分由普通有机玻璃材料制成。实验时两块质量相同的同种材料的靶被固定在摆两端的L型支架上。第三步，实验中使用氦氖激光器作为探测光光源。经扭摆反射镜反射的氦氖激光被一个焦距为705毫米(波长为632.8纳米)的透镜聚焦。实验中调节接收C⑶的位置，使其刚好位于氦氖激光的焦平面上。当聚焦的激光脉冲轰击扭摆上的固体靶样品使扭摆发生转动时，氦氖激光信号经扭摆反射镜反射后的传播方向发生变化，它在空间的移动情况被高灵敏度CCD探测接受。如图5(b)所示，激光脉冲经过一个可升降的潜望镜提束后被一个焦距为100毫米的透镜聚焦，聚焦后的激光脉冲用来烧蚀固定在扭摆上的靶材。实验中可升降潜望镜的作用在于通过升降改变激光脉冲轰击靶材的位置，使每次测量时，每个激光脉冲轰击的都是靶上未受轰击的新区域。实验中利用CCD观察小能量飞秒激光经靶样品的背向散射光来确定靶相对于聚焦透镜的位置。第四步，我们在激光推进实验中使用的单个激光脉冲能量为0.65毫焦耳，脉冲宽度为50飞秒，通过调节固体靶和聚焦透镜之间的距离可以实现入射激光通量在0.6焦耳/平方厘米到100焦耳/平方厘米的范围内发生变化。当入射激光通量确定时，通过测量CCD记录激光烧蚀过程中光点的移动距离，即可得到扭秤的最大转角，从而计算出单个激光脉冲烧蚀产生的动量，用动量除以烧蚀使用的单脉冲能量便可得到冲量耦合系数。实验测得普通平面金属铝靶样品的冲量耦合系数随激光流量变化关系如图6中的+曲线所示。从中我们可以看出当入射激光通量逐渐增大时，该固体靶样品的冲量耦合系数先增加然后减小，当入射激光通量约为9焦耳/平方厘米时，普通平面金属铝靶样品的冲量耦合系数达到最大值，约为4.5达因/瓦。实施例2第一步，与实施例1相同。第二步，在空气环境中，使用显微物镜或光学透镜将入射的飞秒激光脉冲垂直聚焦在第一步中所处理的固体金属铝靶样品上，并将样品表面沿逆光束方向调整至远离焦平面10-250微米的范围内；第三步，设定飞秒激光制备的实验参数为脉冲重复频率1千赫兹、脉冲宽度50飞秒、8脉冲中心波长800纳米、相邻激光加工刻线之间的间距可在20-100微米范围内选择、样品移动的扫描速度可在0.05-1毫米/秒范围内选择，飞秒激光偏振方向与样品移动扫描方向可成任意角度。第四步，调节入射激光脉冲的平均功率为40毫瓦，经上述激光照射方法处理金属铝靶样品后，通过扫描电子显微镜可观察到其表面形成了一种奇特的微细结构，如图2所示。它是由许多微米量级的凸起和沟槽组成，这些微结构使得金属靶样品表面变得较为粗糙，类似于一种多孔结构的吸收体。用肉眼直接观看，这种布满微结构的金属靶样品表面颜色变暗。第五步，除采用上述表面微结构的金属铝靶样品外，其他技术和实验条件均与实施例1中的步骤二相同。第六步，与实施例1中的步骤三相同。第七步，与实施例1中的步骤四相同。实验测得微结构金属铝靶样品的冲量耦合系数随激光流量变化关系如图6中+曲线所示。与普通平面金属铝靶样品相比较，这种类型的表面微结构金属铝靶样品的冲量耦合系数有所提高，最大值增至6.5达因/瓦，但此时对应的激光通量减小为2.1焦耳/平方厘米。我们认为这可能是由于铝靶样品表面微结构使得激光烧蚀阈值降低造成的。实施例3除在飞秒激光制备微结构固体靶过程中将入射激光脉冲平均功率调节为140毫瓦外，其他技术步骤和实验条件均与实施例2相同。在这种情况下，实验观察到经飞秒激光照射后的金属铝靶样品表面也形成有多个凸起排列而成的条纹状微结构，其扫描电子显微照片如图3所示。与图2相比较，我们可知在入射激光功率变大时，金属铝靶样品表面形成凸起结构的尺寸逐渐变小。实验测得表面微结构金属铝靶样品的冲量耦合系数随激光流量变化关系如图6的曲线所示。我们发现在此条件下，微结构金属铝靶样品比普通平面金属铝靶仍然具有较高的冲量耦合系数，并与实施例2中获得的结果大致相同。实施例4除在飞秒激光制备微结构金属铝靶样品过程中将入射激光脉冲平均功率调节为250毫瓦外，其他技术步骤和实验条件均与实施例2相同。在这种情况下，实验观察到经飞秒激光照射后的金属铝靶样品表面已没有凸起结构的产生，仅形成周期性分布的沟槽结构，沟槽的宽度约为几十微米，其扫描电子显微照片如图4所示。实验测得这种微结构金属铝靶样品的冲量耦合系数随激光流量变化关系如图6的*曲线所示。与实施例2、3中的情况相比较，此种条件下微结构金属铝靶样品的冲量耦合系数发生了进一步的提高。最大值增至7.7达因/瓦，与未经飞秒激光预处理的普通平面铝靶样品相比较，最大冲量耦合系数提高了约170%。9权利要求1.利用激光制备微结构靶提高激光推进冲量耦合系数的方法，其步骤是第一步，将选作用于烧蚀激光推进靶的固体材料，进行表面机械打磨和抛光后，用去离子水超声清洗，然后置于清洁开口容器中待其风干，作为靶样品；第二步，在空气环境中，先将聚焦后的飞秒激光脉冲垂直照射在第一步抛光处理后的靶样品材料表面，并通过观测靶样品材料表面烧蚀区域的大小来寻找和确定激光焦点的准确位置，然后再将靶样品材料表面沿逆光束方向调整至远离焦平面的位置处；第三步，设定飞秒激光脉冲的参数为脉冲重复频率1千赫兹、脉冲持续时间50飞秒、脉冲中心波长800纳米，并使得入射激光脉冲为线偏振光；第四步，将待处理的固体靶样品放置在三维精密移动平台上，并通过计算机来控制靶样品在空间上的移动；第五步，在保持入射激光束不变的情况下，通过选取激光能量，并将待处理靶样品在与光束垂直平面内进行逐行移动扫描，实现在固体靶样品表面上的大面积微结构制备；第六步，将第五步飞秒激光脉冲处理后的固体靶样品用去离子水超声清洗，有效清除附着在样品表面的沉积物，并对其表面进行显微观察与测量；第七步，将第六步成功制备获得的表面具有微结构的固体靶样品应用到烧蚀激光推进的实验系统中，并通过建立高灵敏度的扭秤装置来精确测量其在激光烧蚀过程中的冲量耦合系数；第八步，当烧蚀激光推进的能量给定时，通过改变固体靶样品和聚焦透镜之间的距离实现对照射光斑区域内光通量的调控，从而分别测得普通平面靶和微结构靶在烧蚀激光推进中冲量耦合系数随激光通量的变化关系。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于上述第二步中所述的飞秒激光脉冲聚焦采用显微物镜或光学透镜，固体靶样品表面沿逆光束方向调整至远离焦平面10-250微米的位置范围处，这样能够避免激光焦点处的高激光通量对靶样品表面可能造成的深度烧蚀去除。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于上述第四步中所述固体靶样品的移动速度在0.05-1毫米/秒范围内选择，最小移动精度为1微米，相邻两条移动扫描线之间的距离在2-100微米范围内选择。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于上述第五步中所述固体靶样品的移动扫描方向与入射飞秒激光脉冲的偏振方向成任意夹角；入射激光脉冲的平均功率在40-250毫瓦范围内变化；在靶样品表面制备获得的微结构类型包括周期性排布的颗粒状突起结构和周期性排布的沟槽结构。5.根据权利要求1的方法，其特征在于上述第七步中所述测量冲量耦合系数的过程是当聚焦激光脉冲轰击扭摆上放置的固体靶样品并使扭摆发生转动时，探测光束经扭摆反射镜后在传播方向的移动变化被高灵敏度CCD探测；激光脉冲经过潜望镜提束后被一个焦距为100毫米的透镜聚焦到固定在扭摆上的靶样品表面，实验中通过潜望镜的升降来改变激光脉冲对固体靶轰击的具体位置，使每次测量时，每个激光脉冲轰击的都是靶上未受轰击的新区域。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于上述第八步中所述当入射激光通量确定时，利用高灵敏度CCD记录测得在烧蚀激光推进过程中探测光点的空间移动距离，即获得扭秤的最大转角，从而计算出单个激光脉冲在烧蚀过程中产生的动量，用动量除以烧蚀使用的单脉冲能量便得到冲量耦合系数。全文摘要利用激光制备微结构靶提高激光推进冲量耦合系数的方法。本发明提出利用聚焦近红外飞秒激光脉冲对烧蚀激光推进技术中的固体靶进行预加工处理，使其表面产生多种形态的微结构来有效增强其冲量耦合系数的方法。飞秒激光脉冲制备的微结构固体靶包括多种类型的有利于增强光吸收的突起结构和沟槽结构。利用实验建立的高灵敏度扭秤精密测量装置获知在0.6-100焦耳/平方厘米的激光通量变化范围内，这些微结构固体靶比未经飞秒激光预处理的普通平面靶的冲量耦合系数提高约170%。本发明提出的有效增强激光烧蚀过程中光能到机械能转换的新方法在激光推进
技术领域：
有着潜在的重要应用。文档编号B23K26/00GK102179622SQ20111008784公开日2011年9月14日申请日期2011年4月8日优先权日2011年4月8日发明者张楠,朱晓农,杨建军,杨阳,黄鹏申请人:南开大学