極薄金屬膜層在衝擊壓力下的瞬態光反射透射特性研究

《極薄金屬膜層在衝擊壓力下的瞬態光反射透射特性研究》是依託中國工程物理研究院流體物理研究所，由陳光華擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：極薄金屬膜層在衝擊壓力下的瞬態光反射透射特性研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：陳光華
• 依託單位：中國工程物理研究院流體物理研究所

項目摘要

金屬膜層的光傳播特性由金屬的電導率和介電常數等物理性質以及膜層厚度等參數決定。在衝擊壓力作用下，電導率、介電常數和膜層厚度等發生變化，導致光反射透射特性變化。研究金屬膜層在衝擊下的光傳播性質，可提供一種新的衝擊壓力測量方法，特別是當膜層厚度僅有納米量級時，有可能提供一種診斷衝擊前沿壓力剖面的超高時間分辨測量技術。. 該項目將從實驗和理論兩方面研究不同材料不同厚度的極薄金屬膜層(5nm～50nm)在衝擊壓力下的瞬態光反射透射特性，建立理論模型，製備金屬膜層樣品，開展衝擊載入實驗，利用實驗數據建立經驗關係式並與理論模型相互校驗；此外，還將搭建超高時間分辨診斷系統，開展超快的衝擊前沿診斷實驗研究，獲取衝擊前沿的上升時間等參數。

結題摘要

研究極薄金屬膜層在衝擊壓力下的瞬態光反射透射特性，有可能提供一種超快的衝擊壓力診斷技術，並有助於在微觀層面研究衝擊波精細結構。 本項目首先利用傳輸矩陣法建立了包括金屬膜及其兩側介質在內的多層介質的電磁波特性理論模型，然後建立金屬膜折射率和衝擊壓力關係的兩種理論模型，包括基於自由電子氣體的理論模型和基於第一性原理的理論模型。根據建立的理論模型，進行了數值模擬和仿真計算，發現對於極薄金屬膜，壓力下厚度的微小變化將導致光反射率和透射率的明顯變化。 項目製備了極薄金屬膜樣品，膜層厚度介於3 nm到30 nm之間，利用原子力顯微鏡對膜層形貌特徵和粒度特性進行了觀測，膜層的平整性和均勻性較好；對金屬膜層的靜態光反射透射特性進行了測量。 根據載入方式的不同發展了兩種超快診斷技術，一是共焦光路探測系統，用於在輕氣炮等同步性難以精確控制的載入裝置上開展反射率變化的連續測量，捕獲瞬態信號。另一種採用飛秒雷射作為載入光和探針光，建立了基於並行相干快門的8幅超快相干選通成像測量光路，實現了幅間隔500 fs、每幅曝光時間小於100 fs的時間分辨，可在一發實驗中以極高時空分辨獲取8個時刻的光信息。 獲得了衝擊載入下極薄金屬膜的反射率隨衝擊壓力變化的實驗數據，以及壓力下不同厚度金屬膜的反射率變化，觀察到當壓力高於一定值時極薄鋁膜反射率變化時間隨膜厚減小而減小，觀察到衝擊前沿的上升時間小於40 ps。實驗結果表明通過測量極薄金屬膜的反射率變化，開展衝擊波的超快診斷是可行的。 項目還發展了一種新型干涉測速技術。利用飛片表面反光、金屬膜基底表面反光和金屬膜反光之間的干涉，不用搭建專門的干涉測速系統就獲得了比採用干涉測速系統更豐富的信息。實驗驗證了一種潛在的金屬介質複合膜衝擊壓力感測器技術，感測器的反射光強曲線反映了熔石英材料中衝擊波傳播的斜波特徵，表明可以通過測量金屬介質複合膜的反射光強變化測量衝擊壓力。