CN104020173A - 用于激光驱动微小碎片试验的靶架装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于激光驱动微小碎片试验的靶架装置，包括激光器及设置在真空罐内的分束镜、扩束镜、聚焦透镜、飞片靶、撞击靶和测速***；聚焦透镜、飞片靶和撞击靶耦合进下部的靶架上，外部控制器通过电缆连接步进电机可以精确控制聚焦透镜、飞片靶和撞击靶在靶架上的位置，激光透过聚焦透镜进入飞片靶之前需要先经过分束镜，分束镜将一部分激光反射进CCD并借以观察激光光斑，激光经过分束镜后入射到飞片靶上，飞片靶在激光的作用下产生等离子体并驱动飞片的发射。与现有技术相比，本发明实现了聚焦透镜位置的电动调节，既方便对飞片靶和撞击靶的移动，又提升了撞击位置的精度，在累积撞击试验时，避免了开罐调整飞片靶和撞击靶，大大节约时间。

Description

用于激光驱动微小碎片试验的靶架装置

技术领域

本发明属于航天器空间碎片防护领域，具体涉及一种微米级空间碎片撞击的试验装置。

背景技术

激光驱动飞片技术是用脉冲高功率激光辐照固体膜层(飞片靶)，烧蚀一部分膜层，并产生高温高压等离子体，利用等离子体的高压驱动剩余的膜层(飞片)高速飞行，以此模拟微米级空间碎片。该技术装置简单且成本低，在工程上有很大的优势。

现有的激光驱动飞片装置包括激光器、分束镜、扩束镜、聚焦透镜、飞片靶和测速***。其中聚焦透镜、飞片靶和撞击靶的位置均是靠手动调节，光斑大小难以准确调节，且无法实时监测，撞击位置精度低；特别是在真空条件下，每做完一次试验都需要打开真空罐调整飞片靶和撞击靶的位置，再重新抽真空，浪费时间，试验方法亟需优化。

发明内容

本发明的目的是通过实现激光驱动飞片装置关键部件位置的电动调节，并实时对光斑和靶位监测，提升试验效率和撞击位置精度。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种用于激光驱动微小碎片试验的靶架装置，包括激光器及设置在真空罐内的分束镜、扩束镜、聚焦透镜、飞片靶、撞击靶和测速***；聚焦透镜、飞片靶和撞击靶耦合进下部的靶架上，并且与步进电机相连，外部控制器通过电缆连接步进电机可以精确控制聚焦透镜、飞片靶和撞击靶在靶架上的位置，分束镜的分支光路上设置有CCD一,飞片靶与撞击靶之间的上方设置有CCD二，二者分别对光斑和靶位进行实时监测，便于调整光斑大小和避免飞片靶与撞击靶相撞，激光器发射出的激光，经扩束镜扩束后进入聚焦透镜，聚焦透镜设置在可前后平移的上下升降平台上，激光透过聚焦透镜进入飞片靶之前需要先经过分束镜，分束镜将部分光反射至CCD一中，透过分束镜经透射过的激光入射到飞片靶上，飞片靶在激光的作用下产生高温、高压等离子体并驱动超高速飞片的发射，测速***为非接触式瞬态测量***。

其中，可前后平移平台是一维电控平移台，其调节范围不低于20mm，调节精度不低于5μm。

其中，激光器为YAG激光器。

其中，飞片靶和撞击靶都设置在三维电控平移台上。

其中，通过控制手柄驱动，三维电控平移台实现三维坐标X、Y、Z三方向的移动，飞片靶和撞击靶在Z方向行程为15mm，三维电控台X、Y方向行程达30mm，调节精度均不低于3μm。

其中，测速***采用非接触式瞬态测量方法，利用片激光光幕遮断的原理对经过激光的飞片进行速度测量；激光发射后，分束镜将3％的激光反射至光电接收器，产生起跳信号，试验过程中，飞片会持续阻挡光路，从而改变光通量，光通量的变化同样利用光电接收器得到，产生下降信号，起跳信号和下降信号通过示波器显示，获得飞行时间，飞行距离通过螺旋测微器测量，飞行距离除以飞行时间，得到飞行速度。

其中，两个CCD对光斑和靶位进行实时监测，用于调整光斑大小和避免飞片靶与撞击靶相撞。

其中，真空罐内设置有照明***。

与现有技术相比，本发明实现了聚焦透镜位置的电动调节，其最大脉冲距离不超过5μm，具备了近似连续调节飞片直径的能力；通过实现飞片靶和撞击靶位置的电动调节后，其最大脉冲距离不超过3μm，这既方便了对飞片靶和撞击靶的移动，又提升了撞击位置的精度，在真空罐内做累积撞击试验时，避免开罐调整飞片靶和撞击靶，大大节约时间。利用CCD可以实时观测光斑形貌，并与试验后的飞片靶和撞击靶对比，为撞击形貌分析提供保障(不同能量分布的光斑会导致飞片形状产生差异，进而影响撞击后的形貌)。用于靶位监测的CCD可以避免在真空罐内由于视线的限制导致飞片靶和撞击靶相撞。安装照明***更利于在真空罐内对试验进行观察。

附图说明

图1是本发明的用于激光驱动微小碎片试验的靶架装置的示意图。

图中，1为YAG激光器；2为扩束镜；3为聚焦透镜；4为一维电控平移台分束镜；5为CCD一；6为分束镜；7为三维电控平移台一；8为三维电控平移台二；；9为撞击靶；10为CCD二；11为飞片靶；12为照明灯；13为真空罐。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的用于激光驱动微小碎片试验的靶架装置进行详细说明，但该描述仅仅为示例性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。

参照图1，图1为本发明的用于激光驱动微小碎片试验的靶架装置的示意图。其中该装置包括激光器1、扩束镜2和设置在真空罐内的聚焦透镜3、分束镜6、飞片靶11、撞击靶9和测速***；聚焦透镜3、飞片靶11和撞击靶9耦合进下部的靶架上，并且与步进电机相连，外部控制器通过电缆连接步进电机可以精确控制聚焦透镜3、飞片靶11和撞击靶9在靶架上的位置，分束镜6的分支光路上设置有CCD一5,飞片靶11与撞击靶9之间的上方设置有CCD二10，二者分别对光斑和靶位进行实时监测，便于调整光斑大小和避免飞片靶11与撞击靶9相撞。

激光器1发射出的激光，经扩束镜2扩束后进入聚焦透镜3，聚焦透镜3设置在可前后平移平台上，激光透过聚焦透镜3进入飞片靶11之前需要先经过分束镜6，分束镜6将部分光反射至CCD一5中，透过分束镜6的激光入射到飞片靶上，飞片靶在激光的作用下产生高温、高压等离子体并驱动超高速飞片的发射。

本发明的装置能实现在真空罐内精确调节并定位聚焦透镜3、飞片靶11和撞击靶9，进行真空下的激光驱动微小碎片撞击效应及累积撞击试验。

具体来说，高功率近似平顶型(区别于高斯型)脉冲激光由YAG激光器1发射，激光能量在100mJ到2J之间可以连续调节，脉宽约为10ns，短脉宽高能量的近似平顶型脉冲激光有利于超高速飞片的发射。激光进入聚焦透镜3前需要先经扩束镜2扩束，这是因为扩束后的激光发散角减小，有利于聚焦透镜将激光聚焦。聚焦透镜3安装在一维电控平移台4上，其调节范围不低于20mm，调节精度不低于5μm，通过移动聚焦透镜在沿光路方向上的位置可以改变其焦点在沿光路方向上的位置，近似连续调节投射在飞片靶上的光斑直径，进而改变发射飞片的直径。激光辐照在飞片靶上的镀膜层产生等离子体，利用等离子体的高压驱动剩余膜层(飞片)飞行，飞片撞到撞击靶，完成一次试验。飞片的速度可以通过测速***获得。

激光透过聚焦透镜3进入飞片靶之前需要先经过分束镜2，分束镜2将部分光反射至CCD中，CCD连接到计算机，可以实时监测入射激光光斑能量分布。不同能量分布的光斑会导致飞片形状产生差异，进而影响撞击后的形貌，监测入射激光光斑能量分布有利于分析撞击形貌。

在累积试验中，做完一发试验后，需要调整飞片靶及撞击靶的位置。通过控制手柄的操作，三维电控平移台的控制器给出驱动信号，三维电控平移台可以实现X、Y、Z三方向(互相正交)的移动，飞片靶和撞击靶在Z方向(沿光路方向)行程可达15mm，三维电控平移台X、Y方向行程可达30mm，调节精度均不低于3μm。两个三维电控平移台功能一致。

测速***采用非接触式瞬态测量方法，利用片激光光幕遮断的原理对经过激光的飞片进行速度测量。激光发射后，分束镜将3％的激光反射至光电接收器，产生起跳信号；试验过程中，飞片会持续阻挡光路，从而改变光通量，光通量的变化同样利用光电接收器得到，产生下降信号，起跳信号和下降信号通过示波器显示，获得飞行时间。飞行距离通过螺旋测微器测量，飞行距离除以飞行时间，得到飞行速度。片激光发生器主要性能参数为：功率5mW,波长670nm，片激光线性区宽度30μm，线性区到激光口距离185mm；高频光电接收器主要性能参数为：上升沿低于10ns，感光区域直径1mm，光敏范围200～1100mm。

CCD二10通过支架安装在靶架上，CCD连接到计算机，可以实时监测飞片靶和撞击靶，防止二者由于误操作相撞。安装了采集卡和配套软件的计算机可以对图像进行采集。照明灯方便试验人员更清楚地观察试验。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于激光驱动微小碎片试验的靶架装置，包括激光器及设置在真空罐内的分束镜、扩束镜、聚焦透镜、飞片靶、撞击靶和测速***；聚焦透镜、飞片靶和撞击靶耦合进下部的靶架上，并且与步进电机相连，外部控制器通过电缆连接步进电机精确控制聚焦透镜、飞片靶和撞击靶在靶架上的位置，分束镜的分支光路上设置有CCD一,飞片靶与撞击靶之间的上方设置有CCD二，二者分别对光斑和靶位进行实时监测，便于调整光斑大小和避免飞片靶与撞击靶相撞，激光器发射出的激光经扩束镜扩束后进入聚焦透镜，聚焦透镜设置在可前后平移的平台上，激光透过聚焦透镜进入飞片靶之前需要先经过分束镜，分束镜将部分光反射至CCD一中，透过分束镜的激光入射到飞片靶上，飞片靶在激光的作用下产生高温、高压等离子体并驱动超高速飞片的发射，测速***为非接触式瞬态测量***。

2.如权利要求1所述的靶架装置，其中，可前后平移平台是一维电控平移台，其调节范围不低于20mm，调节精度不低于5μm。

3.如权利要求1所述的靶架装置，其中，激光器为YAG激光器。

4.如权利要求1-3任一项所述的靶架装置，其中，飞片靶和撞击靶都设置在三维电控平移台上。

5.如权利要求1-3任一项所述的靶架装置，其中，通过控制手柄驱动，三维电控平移台实现三维坐标的X、Y、Z三方向的移动，飞片靶和撞击靶在Z方向行程为15mm，三维电控台X、Y方向行程达30mm，调节精度均不低于3μm。

6.如权利要求1-3任一项所述的靶架装置，其中，真空罐内设置有照明***。

7.如权利要求1-3任一项所述的靶架装置，其中，非接触式瞬态测量***利用片激光光幕遮断方式对经过激光的飞片进行速度测量；激光发射后，分束镜将3％的激光反射至光电接收器，产生起跳信号，试验过程中，飞片会持续阻挡光路，从而改变光通量，光通量的变化同样利用光电接收器得到，产生下降信号，起跳信号和下降信号通过示波器显示，获得飞行时间，飞行距离通过螺旋测微器测量，飞行距离除以飞行时间，得到飞行速度。