Het verbeteren van de energieconversie-efficiëntie van een lasergestuurde flyer door een in situ vervaardigde nano-absorptielaag

Abstract

Drie soorten Al-flyerplaten met verschillende nanogestructureerde absorptielagen werden in situ geprepareerd door een directe laserschrijftechnologie om de energieconversie-efficiëntie in een lasergestuurde flyer-assemblage te verbeteren. Microstructuren, lichtabsorptie en vliegsnelheid in de versnellingskamer werden onderzocht. De reflectie voor de flyers bij een golflengte van 1064 nm kan worden verminderd van 81,3 naar 9,8% door de nanogestructureerde absorptielaag. De eindsnelheid van een 50 μm dikke Al-vlieger bestraald door een 60 mJ laserpuls is 831 m/s, terwijl de snelheid van de vlieger met een in situ vervaardigde nano-absorptielaag tot 1113 m/s bereikt bij dezelfde toestand. Het resultaat is dat de energieconversie-efficiëntie van de flyer met een absorptielaag met nanostructuur kan oplopen tot 1,99 keer die van de Al-flyer. Daarom biedt de nanogestructureerde absorptielaag die in situ op het oppervlak van een flyer is voorbereid, een nieuwe methode om de energieconversie-efficiëntie van een lasergestuurde flyer aanzienlijk te verbeteren.

Inleiding

Lasergestuurde flyer (LDF) die wordt gebruikt voor het tot ontploffing brengen van explosieven biedt een veelbelovende benadering voor goed gecontroleerde, korte-puls schokcompressie van gecondenseerde fasematerialen [1,2,3,4]. In een LDF-opstelling wordt een dunne metaalfolie ondersteund door een transparant venstersubstraat vaak gelanceerd door een nanoseconde gepulseerde laser, een laag van de metaalfolie genaamd de ablatielaag wordt geablateerd en genereert onmiddellijk hogedrukplasma's, en de plasma's drijven vervolgens de overblijfselen aan van de metaalfolie om als vlieger met een snelheid van enkele kilometers per seconde te vliegen. Metaalaluminium is ideaal als vliegermateriaal vanwege de goede taaiheid en lage dichtheid. Omdat echter een groot deel van de energie verloren gaat door de hoge reflectie van de puur aluminium flyer, is de energieconversie-efficiëntie van de flyer (gedefinieerd als de verhouding tussen de kinetische energie van de flyer en de invallende laserenergie) extreem laag, wat sterk beperkte de praktische toepassingen van de LDF [5, 6].

Er zijn tal van werken uitgevoerd om de energieconversie-efficiëntie van LDF te verbeteren. Aangezien de energieconversie-efficiëntie kan worden verbeterd door een laag te introduceren met een sterkere absorptie bij de invallende lasergolflengte als gevolg van verminderde reflectie [7], zijn veel materialen met een lagere reflectiviteit vergeleken met puur aluminium bestudeerd als de absorptielaag. Labast et al. [8] en Brierley et al. [9] onderzocht verschillende materialen als absorptielagen om de energieconversie-efficiëntie te verbeteren en ontdekte dat de toevoeging van Ge, Ti en Zn de reflectie kan verminderen en de vliegsnelheid enigszins kan verhogen. Er is ook een enkele laag zwarte verf aangebracht als absorptielaag van de flyer, maar de snelheid is niet duidelijk verbeterd. Aangezien deze weinig reflecterende materialen niet alleen als absorptielaag maar ook als ablatielaag dienen, terwijl de efficiëntie van het interactiemateriaal afhangt van zowel de optische als de thermodynamische eigenschappen van het vliegermateriaal [10], is de toename van de vliegsnelheid beperkt.

Onlangs heeft het gebruik van plasmonische nanomaterialen om de lichtabsorptie te verbeteren door een excitatie van gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonantie (LSPR) aanzienlijke belangstelling gewekt op het gebied van spectroscopische sensoren en zonne-energieconversie [11,12,13]. Aluminium nanostructuren kunnen worden gebruikt als lichtoogstsystemen omdat het een breed spectrumbereik van ultraviolet tot zichtbaar licht van LSPR dekt [14,15,16,17]. Zhang et al. [18] ontdekte dat een verbetering van 40% in absorptie kan worden bereikt door de aluminiumdeeltjes te integreren met behulp van optische simulaties. Lee et al. [19] rapporteerde een ontwerpstrategie om een robuust platform te bereiken voor plasmon-versterkte lichtoogst met behulp van aluminium kern-schaal nanostructuren, wat resulteerde in een opmerkelijke toename van foto-naar-chemische conversie. Fan et al. [20] demonstreerde een ultrasnelle laserverwerkingsstrategie voor het vervaardigen van zeer effectieve antireflectie micro-nano-structuren op dikke metalen oppervlakken, en een gemiddelde reflectie van 4,1%, 2,4% en 3,2% in het breedbandspectrum van ultraviolet tot bijna-infrarood op Cu, Ti en W, respectievelijk, oppervlakken werden bereikt. Voor zover wij weten, is er echter geen onderzoek gedaan naar het gebruik van nanogestructureerd materiaal om de laserabsorptie in LDF's te verbeteren.

In dit werk stellen we een nanogestructureerde aluminium absorptielaag voor die in situ is geprepareerd op het oppervlak van dunne Al-flyers om de laserabsorptie en energieconversie-efficiëntie te verbeteren. Een femtoseconde laserschrijftechnologie genaamd direct laserschrijven werd gebruikt om de nanostructuren te fabriceren vanwege de precisie, relatieve eenvoud en hoge opbrengst [21,22,23]. De morfologie en samenstelling van het oppervlak van de in situ vervaardigde nanostructuren werden gekarakteriseerd en hun lichtabsorptie werd getest. Om de energieconversie-efficiëntie van de flyers met een nanogestructureerde absorptielaag te evalueren, werden de flyers gelanceerd met behulp van single-pulsed lasers en hun snelheden werden verkregen door een fotonische Doppler-snelheidsmeting (PDV). Verder werden de kinetische energie en energieconversie-efficiëntie van de flyers berekend en besproken.

Experimentele methoden

Voorbereiding van monsters

Al folies met een afmeting van 60 mm × 60 mm × 50 μm (breedte, lengte en hoogte) werden gebruikt als referentieflyer. Deze folies werden eerst elektrochemisch gepolijst om een lage gemiddelde oppervlakteruwheid te bereiken. De nanogestructureerde absorptielagen werden vervolgens in situ geprepareerd op het oppervlak van Al-folies door een direct schrijvende laser onder een luchtatmosfeer. Het directe laserschrijven maakte gebruik van een gepolariseerde femtoseconde laser (FX200-3-GFH, EdgeWave, Duitsland) met een golflengte van 1030 nm, een pulsduur van 600 fs en een herhalingssnelheid van 200 kHz. Het uitgangslaservermogen varieerde van 0 tot 100 W. Figuur 1 illustreert het directe laserschrijfvoorbereidingsproces om de monsters te fabriceren. De nanostructuren op het oppervlak van Al-folies werden gecontroleerd door het stralingslaservermogen en de scansnelheid en -periode te veranderen. Drie monsters met verschillende nanogestructureerde absorptielagen (monsters A, B en C) werden bereid. Monster A werd bestraald met 22,60 W laserpulsen met een scansnelheid van 1000 mm/s in de y richting en een scanperiode van 25 m. Monster B werd bestraald met laserpulsen van 13,82 W met een scansnelheid van 5000 mm/s in beide x en y richtingen en scanperiode van 1 m. Monster C werd bestraald met 22,60 W laserpulsen met een scansnelheid van 8000 mm/s in beide x en y richtingen en scanperiode van 100 nm.

Schema's van de monstervoorbereidingsmethode

Karakterisatiemethoden

De morfologie van het oppervlak van de monsters werd gekenmerkt door scanning-elektronenmicroscopie (SEM, Ultra 55, Zeiss, Duitsland) gecombineerd met energiedispersieve röntgenanalyse (EDX, Oxford, Groot-Brittannië). De optische golflengte-afhankelijke reflectiviteitsmeting in de golflengte van 500 tot 1500 nm voor de monsters werd uitgevoerd met een UV-VIS-NIR-spectrofotometer (SolidSpec-3700, Shimadzu, Japan) ingebouwd met een integrerende bol.

Figuur 2 illustreert de experimentele opstellingen die zijn gebruikt om de flyer te lanceren en de snelheid van de flyer te karakteriseren, aangezien de snelheid een van de belangrijkste factoren is om de prestaties van de flyer te schatten. Een Q-switched Nd:YAG-laser (Innolas SpitLight 400, 1064 nm golflengte, 14-ns pulslengte) werd gebruikt om de voorbereide monsters te ablateren en te lanceren, en een PDV-systeem wordt toegepast om de vliegsnelheid van de monsters te meten. De ruimtelijke energieverdeling van de laserstraal werd gehomogeniseerd door een diffuus optiek, aangezien de gefocusseerde straal zelf in hoge mate niet-uniform was. De laservlek had een diameter van 0,5 mm. In het velocimetrie-experiment werden monsters in kleine stukjes gesneden en op een saffiervenster geplakt met de nanogestructureerde laag aan het venster. Er werden stalen versnellingskamers met een dikte van 0,2 mm en een binnendiameter van 0,6 mm gebruikt. Er werden zestig millijoule enkele laserpulsen op de monsters geschoten om snelvliegende vliegers in de versnellingskamer te produceren. Bij de uitgang van de acceleratiekamer werd een optische vezel geplaatst die verbonden was met het PDV-systeem om de snelheid van de flyer te registreren.

Schema's van het flyer-lanceringssysteem en het flyer-snelheidsregistratiesysteem (PDV)

Resultaten en discussie

Microstructuur van de absorptielaag

Figuur 3a-f toont de microstructuur van de nanogestructureerde absorptielaag van monsters A, B en C. Aangezien monster A werd bestraald door ultrasnelle lasers in één richting met een scansnelheid van v _x =0 en v _j =1000 mm/s, vertoont het oppervlak van monster A semi-periodieke structuren, zoals weergegeven in figuur 3a. Een nanobolvormige structuur werd waargenomen voor monster A in figuur 3d. De nanobolletjes met een diameter van ongeveer 50-200 nm waren bedekt met kleinere nanobolletjes waarvan de diameter kleiner was dan 10 nm. Monsters B en C werden in beide richtingen bestraald en hun scansnelheden zijn veel hoger dan monster A; er werden geen duidelijke periodieke structuren waargenomen op hun oppervlakken, zoals weergegeven in Fig. 3b en c. Wat monster B betreft, er werden veel deeltjes in de schaal van micrometers waargenomen op het oppervlak (figuur 3b) en de deeltjes waren samengesteld uit bloemkool-nanostructuren (figuur 3e). Omdat monster C met een nog hogere snelheid werd bestraald en gescand in vergelijking met monsters A en B, was de accumulatie van nanodeeltjes veel sneller en was het warmte-effect prominenter. Dientengevolge werden veel dikkere nanosheet- en nanodeeltjesaggregaties waargenomen in Fig. 3c en f. En er ontstonden meerdere scheuren aan het oppervlak omdat er relatief hoge spanning ontstond tijdens het koelproces als gevolg van prominente warmte-invoer.

een SEM-afbeeldingen met × 1000 vergroot voor monster A. b SEM-afbeeldingen met × 1000 vergroot voor monster B. c SEM-afbeeldingen met × 1000 vergroot voor monster C. d SEM-afbeeldingen met × 4000 vergroot voor monster A. e SEM-afbeeldingen met × 4000 vergroot voor monster B. f SEM-afbeeldingen met × 4000 vergroot voor monster C. g EDX voor monster A. h EDX voor monster B. i EDX voor monster C

Afbeelding 3g–i zijn de resultaten van de energiedispersieve röntgenanalyse (EDX) voor respectievelijk monsters A, B en C. De EDX toonde de aanwezigheid van Al₂ . aan O₃ oxiden in de samenstelling van nanostructuren. De oxiden werden gevormd door de oxidatie van aluminium tijdens het laserschrijfproces. Het zuurstofgehalte van monsters A, B en C was respectievelijk 2,2, 8,4 en 22,9 atoom%. Blijkbaar hadden monsters B en C een veel hoger zuurstofgehalte in vergelijking met monster A, terwijl het bestralingslaservermogen voor monster B (13,82 W) lager was dan dat voor monster A (22,60 W) en het bestralingslaservermogen voor monsters A en C was identiek, wat aangeeft dat de scansnelheid en scanperiode de warmteontwikkeling en -dissipatie tijdens direct laserschrijven aanzienlijk beïnvloeden. En de oxidatie neemt toe met de toename van de scansnelheid en afname van de scanperiode.

Lichtabsorptie van de monsters

Figuur 4a toont het uiterlijk van de optische microscoop van Al-folie en de flyers met een nanogestructureerde absorptielaag. De kleur van Al-folie is zilverwit. Met de toevoeging van een nanogestructureerde absorptielaag, vertonen monsters A, B en C grijze, zwarte en donkerzwarte kleuren, wat aangeeft dat er meer licht kan worden geabsorbeerd met de absorptielaag. De reflectie van Al-folie en monsters A, B en C wordt getest door een spectrofotometer en de metingen worden twee keer herhaald voor elk monster. Figuur 4b toont het reflectiespectrum van Al-folie en de aluminium flyer met absorptielaag met nanostructuur. Omdat de dikte van infrarood licht door metalen vaak varieert van enkele tientallen nanometers tot enkele honderden nanometers [24], werd dus geen licht doorgelaten door de Al-foliemonsters met een dikte van 50 m. En het verstrooide licht werd meegenomen in het gereflecteerde licht in de meting met behulp van een integrale bol. Bijgevolg kon de absorptie worden berekend met 1-R (reflectie). Er waren duidelijk verschillen tussen Al-folie en de aluminium flyer met een nanogestructureerde absorptielaag. De reflectie van Al-folie was 81,3% bij de lasergolflengte van 1064 nm, wat aangeeft dat 81,3% van het invallende licht werd gereflecteerd. De gemiddelde reflectie kan worden verlaagd tot respectievelijk 50,5%, 31,5% en 9,8% voor monsters A, B en C. Daarom kan lichtabsorptie effectief worden verbeterd met de absorptielaag met nanostructuur die is bereid door direct laserschrijven. Monster C heeft de sterkste absorptie (90,2%) bij 1064 nm in vergelijking met monsters A en B. Afgezien van het effect van de nanostructuren, zijn we van mening dat het aluminiumoxide dat in de nanostructuren wordt gepresenteerd ook een enorme invloed heeft op de lichtabsorptie van de flyer. Over het algemeen Al₂ O₃ is transparant en absorbeert geen licht; in een direct laserschrijfproces is het echter zeer goed mogelijk voor de gegenereerde Al₂ O₃ en aluminiumdeeltjes om een metaal-diëlektrisch-metaalstructuur te vormen. De structuur gedraagt zich als een FP-holte die op zijn beurt de oppervlakteplasmonresonantie zal verbeteren en de lichtabsorptie [25]. Aangezien de zuurstofconcentraties van monsters A en B veel lager zijn dan die van monster C, impliceert dit dat de Al₂ O₃ deeltjes zijn rijker aan monster C dan andere monsters, waardoor een sterker oppervlakteplasmonresonantie-effect en een veel sterkere absorptie kan worden bereikt.

een Optische microscoopbeelden van Al-folie en monsters A, B en C. b Het reflectiespectrum van Al-folie en monsters A, B en C

Snelheid van de flyer

Figuur 5 toont de vliegsnelheden van Al-folie en monsters A, B en C. Aan het begin van 30 ns neemt de vliegsnelheid sterk toe. Daarna neemt de vliegsnelheid geleidelijk toe vanaf 30 tot 200 ns, en verandert nauwelijks wanneer de tijd de 200 ns overschrijdt. De eindvliegsnelheid voor monsters A, B en C is respectievelijk 1083 m/s, 1173 m/s en 1110 m/s, wat ongeveer 1,30, 1,41 en 1,33 keer hoger is dan die van de Al-folie (831 Mevrouw). Deze resultaten bevestigden dat de toevoeging van een in situ nanogestructureerde laag niet alleen de lichtabsorptie kan verbeteren, maar ook de vliegsnelheid kan bevorderen. Het is vermeldenswaard dat de vliegsnelheid voor monster B hoger is dan voor monster C, terwijl monster C de sterkste lichtabsorptie heeft. De reden is dat monster C een veel rijkere Al₂ . heeft O₃ gehalte vergeleken met monster B. Ionische binding en metaalbinding werden gevormd in Al₂ O₃ en Al, respectievelijk. En het was bekend dat ionische binding veel sterker was dan metaalbinding, waardoor het verdampingspunt en smeltpunt voor Al₂ O₃ hoger dan Al. Het smeltpunt en verdampingspunt voor Al₂ O₃ zijn 2054 °C en 2980 °C, terwijl het smeltpunt en verdampingspunt voor Al respectievelijk 660 °C en 2519 °C zijn. Bovendien is de thermische geleidbaarheid 29,3 W/m K en 237 W/m K voor Al₂ O₃ en Al. Daarom is het moeilijker voor Al₂ O₃ om te verdampen en plasma te vormen bij de invallende gepulseerde laser vanwege het hoge smeltpunt en de lage thermische geleidbaarheid in vergelijking met puur aluminium [26]. Daarom, hoewel de lichtabsorptie wordt verbeterd door Al₂ O₃ in monster C, ondertussen Al₂ O₃ verbruikt een deel van de invallende laserenergie terwijl het niet helpt bij het besturen van de flyer.

een De vliegsnelheden van Al-folie en monsters A, B en C in de versnellingskamer verkregen met behulp van PDV. b De eindvliegsnelheden van Al-folie en monsters A, B en C

De kinetische energie van de flyers kan worden verkregen door de volgende relatie:

$$ E=\frac{\left({m}_f-{m}_a\right){v}^2}{2} $$ (1)

waar m _f is de oorspronkelijke vliegmassa, en m _een vertegenwoordigt de geablateerde vliegermassa. Bovendien gaan we ervan uit dat de flyer een geïntegreerde staat behoudt tijdens het vliegproces. De geablateerde vliegmassa kan worden beoordeeld volgens het model van Lawrence en Trott [27].

$$ {m}_a=\frac{\pi {r}^2}{\mu_{\mathrm{eff}}}\ln \frac{\mu_{\mathrm{eff}}{I}_0\left( 1-k\right)}{\varepsilon_d} $$ (2)

waar r is de straal van de flyer, μ _eff is de effectieve absorptie-index, I ₀ is de invallende laserintensiteit, k is de energieverliesindex, en ε _d is de verdampingsenergie.

De energieconversie-efficiëntie van de flyer kan worden aangegeven met behulp van de volgende vergelijking:

$$ \xi =\frac{E_{\mathrm{f}}}{E_{\mathrm{l}}} $$ (3)

waar ξ geeft de energieconversie-efficiëntie van de flyer aan, E _f staat voor de kinetische energie van de vlieger, en E _ik vertegenwoordigt de invallende laserenergie.

De berekende resultaten van de kinetische energie van de flyer en de energieconversie-efficiëntie werden geïllustreerd in Fig. 6. De energieconversie-efficiëntie voor monsters A, B en C is respectievelijk 36,8%, 43,2% en 38,6%, wat 1,70, 1,99 is. en 1,78 keer die van de Al-folie (21,7%). In dit werk, wanneer een nanogestructureerde absorptielaag op Al-folie wordt toegevoegd, wordt de hoogste energieconversie-efficiëntie bijna verdubbeld. De experimentele resultaten zijn samengevat in Tabel 1. Daarom biedt de in situ fabricage van een nanogestructureerde absorptielaag op het oppervlak van een flyer een nieuwe methode om de energieconversie-efficiëntie van een LDF aanzienlijk te verbeteren.

De berekende kinetische energie en energieconversie-efficiëntie van Al-folie en monsters A, B en C

Conclusies

Nanogestructureerde absorptielagen werden met succes in situ geprepareerd op het oppervlak van dunne Al-folies door middel van directe laserschrijftechnologie. Verder hebben we aangetoond dat door het regelen van de laserpulsinjectie, zowel de structurele kenmerken op microschaal als op nanoschaal kunnen worden gerealiseerd. Dientengevolge kan een substantiële afname in lichtreflectiviteit en een significante verbetering in lichtabsorptie worden gerealiseerd. Door de nano-absorptielaag in situ op het oppervlak van een Al-folie te prepareren, kan de lichtabsorptie worden verhoogd van 18,7 naar 90,2%. De toename in lichtabsorptie zal op zijn beurt resulteren in een duidelijke toename van de snelheid en kinetische energie van een lasergestuurde vlieger. De energieconversie van de flyer met nanogestructureerde absorptielaag kan aanzienlijk worden verbeterd in vergelijking met Al-folie, de maximale energieconversie in deze studie reikt tot 43,2%, wat 1,99 keer die van de Al-folie is (21,7%). Daarom biedt de aluminium nanostructuur-absorptielaag die in situ op het oppervlak van de flyer is voorbereid, een nieuwe methode om de absorptie van laserenergie te verhogen en de energieconversie-efficiëntie van een LDF te verbeteren. Bovendien is de in situ preparatietechnologie die in dit werk aanwezig is ook veelbelovend op het gebied van fotochemie, detectie, fotodetectoren en kwantumoptica.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

Alle auteurs verklaren dat de materialen, gegevens en bijbehorende protocollen beschikbaar zijn voor de lezers en dat alle gegevens die voor de analyse zijn gebruikt, in dit artikel zijn opgenomen.

Multilevel resistief schakelgeheugen op basis van een CH3NH3PbI 3−xClx-film met kaliumchloride-additieven Dynamische controle van high-range fotoresponsiviteit in een grafeen nanoribbon fotodetector

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal