Laser-gedreven vlieger efficiëntie verhogen met in-situ nano-absorptielagen

Samenvatting

Drie soorten Al-vliegerplaten met verschillende genanostructureerde absorptielagen werden in-situ bereid door een directe laser-schrijftechnologie om de energieomzettingsefficiëntie in een laser-gedreven vliegeropstelling te verbeteren. Microstructuren, lichtabsorptie en vliegersnelheid in de versnellingskamer werden onderzocht. De reflectantie voor de vliegers bij 1064-nm golfengte kan verminderd worden van 81,3% tot 9,8% door de genanostructureerde 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 gefabriceerde nano-absorptielaag tot 1113 m/s bereikt onder dezelfde voorwaarden. Als resultaat kan de energieomzettingsefficiëntie van de vlieger met een genanostructureerde absorptielaag zo hoog als 1,99 keer die van de Al-vlieger bereiken. Daarom biedt de genanostructureerde absorptielaag in-situ bereid op het oppervlak van een vlieger een nieuwe methode om de energieomzettingsefficiëntie van een laser-gedreven vlieger aanzienlijk te verbeteren.

Inleiding

Laser-gedreven vlieger (LDV) gebruikt voor het ontploffen van explosieven biedt een veelbelovende benadering voor goed gecontroleerde, korte-puls schokcompressie van gecondenseerde fasematerialen. In een LDV-opstelling wordt een dun metalen folie ondersteund door een transparant venstersubstraat vaak gelanceerd door een nanoseconde gepulste laser, een laag van het metalen folie genaamd de ablatielaag wordt geablateerd waardoor direct hoogdruk-plasma's ontstaan, en de plasma's dryven de restanten van het metalen folie om te vliegen met een snelheid van enkele kilometers per seconde als vlieger. Metaal aluminium is ideaal als vliegermateriaal vanwege zijn goede zwaartekracht en lage dichtheid. Echter, aangezien een groot deel van energie verloren gaat door hoge reflectie van de zuivere aluminiumvlieger, is de energieomzettingsefficiëntie van de vlieger (gedefinieerd als de verhouding tussen de kinetische energie van de vlieger en de incidente laserenergie) extreem laag, wat de praktische toepassingen van LDV sterk heeft beperkt.

Veel werk is uitgevoerd met het doel de energieomzettingsefficiëntie van LDV te verbeteren. Overwegend dat de energieomzettingsefficiëntie verbeterd kan worden door een laag met sterke absorptie bij de incidente lasergolfengte te introduceren door verminderde reflectie, zijn veel materialen met lagere reflectiviteit vergeleken met zuiver aluminium bestudeerd als absorptielaag. Labaste et al. en Brierley et al. onderzochten diverse materialen als absorptielagen om de energieomzettingsefficiëntie te verbeteren en vonden dat toevoeging van Ge, Ti en Zn de reflectie kan verminderen en de vliegersnelheid licht verhogen. Een enkele laag zwarte verf is ook toegepast als absorptielaag van de vlieger, maar de snelheid was niet duidelijk verbeterd. Aangezien deze lage-reflectieve materialen niet alleen als absorptie- maar ook als ablatielaag dienen, terwijl de interactiemateriaal-efficiëntie afhangt van zowel de optische als thermodynamische eigenschappen van het vliegermateriaal, is de toename van vliegersnelheid beperkt.

Recentelijk heeft het gebruik van plasmonische nanomaterialen om lichtabsorptie te verbeteren door opwekking van gelokaliseerde oppervlakte-plasmon-resonantie (LSPR) aanzienlijke belangstelling getrokken in de velden van spectroscopische sensoren en zonne-energieomzetting. Aluminium-nanostructuren kunnen gebruikt worden als licht-oogstsystemen omdat het een wijd spectrum bereik dekt van ultravioleet tot zichtbaar licht van LSPR. Zhang et al. vonden dat een verbetering van 40% in absorptie bereikt kon worden door integratie van aluminium-deeltjes door optische simulaties. Lee et al. rapporteerden een ontwerpstrategie om een robuust platform voor plasmon-verbeterde licht-oogst te bereiken met aluminium kern-schelp nanostructuren, wat resulteerde in een opmerkelijke toename in foto-naar-chemische omzetting. Fan et al. demonstreerden een ultrakorte laser-verwerkingsstrategie voor het fabriceren van hoog-effectieve antireflectie micro-nano-structuren op dikke metaaloppervlakken, en een gemiddelde reflectantie van 4,1%, 2,4% en 3,2% in het breedbandspectrum van ultravioleet tot nabij-infrarood op Cu, Ti en W oppervlakken, respectievelijk, werd bereikt. Echter, naar onze kennis is er geen onderzoek over het gebruik van genanostructureerd materiaal om laserabsorptie in LDV's te verbeteren.

In dit werk stellen we een genanostructureerde aluminium absorptielaag in-situ bereid op het oppervlak van dunne Al-vliegers voor om laserabsorptie en energieomzettingsefficiëntie te verbeteren. Een femtoseconde laser-schrijftechnologie genaamd directe laser-schrijf werd gebruikt om de nanostructuren te fabriceren vanwege de precisie, relatieve eenvoud en hoge opbrengst. De morfologie en samenstelling van het oppervlak van de in-situ bereide nanostructuren werden gekarakteriseerd en hun lichtabsorptie getest. Om de energieomzettingsefficiëntie van vliegers met genanostructureerde absorptielaag te evalueren, werden de vliegers gelanceerd met enkel-puls lasers en hun snelheden verkregen door fotonische Doppler-velocimetrie (PDV). Verder werden de kinetische energie en energieomzettingsefficiëntie van de vliegers berekend en bediscussieerd.

Experimentele Methodes

Monsterbereiding

Al-folies met een formaat van 60 mm × 60 mm × 50 μm (breedte, lengte, hoogte) werden gebruikt als referentievlieger. Deze folies werden eerst electrochemisch gepolijst om een lage oppervlakte-gemiddelde ruwheid te bereiken. De genanostructureerde absorptielagen werden dan in-situ bereid op het oppervlak van Al-folies door een directe schrijflaser onder een luchtatmosfeer. De directe laser-schrijf gebruikte een gepolariseerde femtoseconde laser (FX200-3-GFH, EdgeWave, Duitsland) met een golfengte van 1030 nm, pulsduur van 600 fs, en herhalingssnelheid van 200 kHz. De uitgangslaservermogen varieerde van 0 tot 100 W. Figuur 1 illustreert het directe laser-schrijf voorbereidingsproces om de monsters te fabriceren. De nanostructuren op het oppervlak van Al-folies werden gecontroleerd door de bestralingslaservermogen en scannsnelheid en periode te veranderen. Drie monsters met verschillende genanostructureerde absorptielagen (monsters A, B en C) werden bereid. Monster A werd bestraald door 22,60-W laserpulsen met 1000-mm/s scannsnelheid in de y-richting en 25-μm scanperiode. Monster B werd bestraald door 13,82-W laserpulsen met 5000-mm/s scannsnelheid in zowel x- als y-richting en 1-μm scanperiode. Monster C werd bestraald door 22,60-W laserpulsen met 8000-mm/s scannsnelheid in zowel x- als y-richting en 100-nm scanperiode.

Karakteriseringsmethodes

De morfologie van het oppervlak van de monsters werd gekarakteriseerd door scanning elektronenmicroscopie (SEM, Ultra 55, Zeiss, Duitsland) gecombineerd met energie-dispersieve Röntgenanalyse (EDX, Oxford, Verenigd Koninkrijk). De optische golfengte-afhankelijke reflectiviteitsmeting in de golfengte van 500 tot 1500 nm voor de monsters werd uitgevoerd met een UV-VIS-NIR spectrophotometer (SolidSpec-3700, Shimadzu, Japan) geïntegreerd met een integrerende bol.

Figuur 2 illustreert de experimentele opstellingen gebruikt om de vlieger te lanceren en de vliegersnelheid te karakteriseren aangezien de snelheid een van de sleutelfactoren is om de vliegerprestaties te schatten. Een Q-geschakelde Nd:YAG-laser (Innolas SpitLight 400, 1064-nm golfengte, 14-ns pulslengte) werd gebruikt om de voorbereide monsters te ablateren en te lanceren, en een PDV-systeem wordt toegepast om de vliegersnelheid van de monsters te meten. De ruimtelijke energieverdeling van de laserstraal werd gehomogeniseerd door een diffuse optica, aangezien de gefocusde straal zelf sterk non-uniform was. De laserflek had een diameter van 0,5 mm. In het velocimetrie-experiment werden monsters in kleine stukken gesneden en gehecht op een saffiervenster met de genanostructureerde laag vastgeklonken aan het venster. Staal versnellingskamers met een dikte van 0,2 mm en een binnenste diameter van 0,6 mm werden gebruikt. Zestig-millijoule enkel laserpulsen werden op de monsters geschoten om snelle vliegers in de versnellingskamer te produceren. Een optisch vezel verbonden met het PDV-systeem werd geplaatst bij de uitgang van de versnellingskamer om de snelheid van de vlieger te registreren.

Resultaten en Discussie

Microstructuur van de Absorptielaag

Figuur 3a–f toont de microstructuur van de genanostructureerde absorptielaag van monsters A, B en C. Aangezien monster A bestraald werd door ultrakorte lasers in één richting met een scannsnelheid van v_x = 0 en v_y = 1000 mm/s, vertoont het oppervlak van monster A semi-periodieke structuren, zoals getoond in Fig. 3a. Een nano-sferische structuur werd waargenomen voor monster A in Fig. 3d. De nano-sferen met een diameter van ongeveer 50–200 nm waren bedekt met kleinere nano-sferen wier diameters minder dan 10 nm waren. Monsters B en C werden in beide richtingen bestraald en hun scannsnelheden zijn veel hoger dan monster A; er werden geen duidelijke periodieke structuren waargenomen op hun oppervlakken, zoals getoond in Fig. 3b en c. Wat monster B betreft, werden veel deeltjes in de orde van micrometers waargenomen op het oppervlak (Fig. 3b), en de deeltjes bestonden uit bloemkool-nanostructuren (Fig. 3e). Aangezien monster C bestraald en gescand werd door een nog hogere snelheid vergeleken met monsters A en B, was de accumulatie van nanopartikels veel sneller en het warmteeffect duidelijker. Daardoor werden veel dikker nanosheet- en nanopartikel-aggregaties waargenomen in Fig. 3c en f. En meerdere barstten ontstonden op het oppervlak omdat relatief hoge spanning ontstond tijdens het afkoelproces door duidelijke warmteinvoer.

Figuur 3g–i zijn de energie-dispersieve Röntgenanalyse (EDX) resultaten voor monsters A, B en C, respectievelijk. De EDX toonde de aanwezigheid van Al₂O₃ oxiden in de samenstelling van nanostructuren. De oxiden werden gevormd door oxidatie van aluminium tijdens het laser-schrijfproces. De zuurstofgehalten van monsters A, B en C waren 2,2, 8,4 en 22,9 atoom%, respectievelijk. Blijkbaar hadden monsters B en C veel hogere zuurstofgehalte vergeleken met monster A, terwijl de bestralingslaservermogen voor monster B (13,82 W) lager was dan die voor monster A (22,60 W) en de bestralingslaservermogen voor monsters A en C identiek was, wat aangeeft dat de scannsnelheid en scanperiode de warmteopwekking en -afvoering tijdens directe laser-schrijf aanzienlijk beïnvloeden. En de oxidatie neemt toe met toename van scannsnelheid en afname van scanperiode.

Lichtabsorptie van de Monsters

Figuur 4a toont de optische microscoopverschijnselen van Al-folie en vliegers met genanestructureerde absorptielaag. De kleur van Al-folie is zilverwit. Met de toevoeging van een genanestructureerde absorptielaag vertonen monsters A, B en C grijze, zwarte en donkerzwarte kleuren, wat aangeeft dat meer licht geabsorbeerd kan worden met de absorptielaag. De reflectantie van Al-folie en monsters A, B en C wordt getest door een spectrophotometer, en de metingen worden tweemaal herhaald voor elk monster. Figuur 4b toont het reflectantiespectrum van Al-folie en aluminiumvlieger met genanestructureerde absorptielaag. Aangezien de doorlaatdikte van infrarood licht door metalen vaak varieert van een paar tientallen nanometers tot diverse honderden nanometers, werd geen van het licht door de Al-folie monsters doorgeleaten wiens dikte 50 μm was. En het verstrooide licht werd meegerekend in het gereflecteerde licht in de meting met een integrerende bol. Daarom kon de absorptie berekend worden door 1-R (reflectantie). Verschillen waren duidelijk tussen Al-folie en aluminiumvlieger met genanestructureerde absorptielaag. De reflectantie van Al-folie was 81,3% bij de lasergolfengte van 1064 nm, wat aangeeft dat 81,3% van het incidente licht gereflecteerd werd. De gemiddelde reflectantie kan verminderd worden tot 50,5%, 31,5% en 9,8% voor monsters A, B en C, respectievelijk. Daarom kan lichtabsorptie effectief verbeterd worden met de genanestructureerde absorptielaag bereid door directe laser-schrijf. Monster C heeft de sterkste absorptie (90,2%) bij 1064 nm vergeleken met monsters A en B. Naast het effect van de nanostructuren geloven we dat het aluminiumoxide aanwezig in de nanostructuren ook de lichtabsorptie van de vlieger enorm beïnvloedt. Over het algemeen is Al₂O₃ transparant en absorbeert geen licht; echter, in een directe laser-schrijfproces is het zeer waarschijnlijk dat gegenereerde Al₂O₃ en aluminiumdeeltjes een metaal-dielektisch-metaal structuur vormen. De structuur gedraagt zich als een F-P-kamer die op zijn beurt de oppervlakte-plasmon-resonantie zal versterken en de lichtabsorptie verhogen. Aangezien de zuurstofconcentraties van monsters A en B ver geringer zijn dan die van monster C, wat impliceert dat Al₂O₃ deeltjes rijker zijn in monster C dan in andere monsters, resulteert in een meer versterkte oppervlakte-plasmon-resonantie-effect en veel sterkere absorptie.

Snelheid van de Vlieger

Figuur 5 toont de vliegersnelheden van Al-folie en monsters A, B en C. Aan het begin van 30 ns neemt de vliegersnelheid scherp toe. Daarna neemt de vliegersnelheid geleidelijk toe vanaf 30 tot 200 ns, en verandert nauwelijks wanneer de tijd 200 ns overschrijdt. De eindsnelheid van de vlieger voor monsters A, B en C is 1083 m/s, 1173 m/s en 1110 m/s, respectievelijk, wat ongeveer 1,30, 1,41 en 1,33 keer hoger is dan die van Al-folie (831 m/s). Deze resultaten bevestigden dat de toevoeging van een in-situ genanestructureerde laag niet alleen de lichtabsorptie kan verbeteren maar ook de vliegersnelheid kan bevorderen. Het is de moeite waard te vermelden dat de vliegersnelheid voor monster B hoger is dan monster C terwijl monster C de sterkste lichtabsorptie heeft. De reden is dat monster C een veel rijker Al₂O₃ inhoud heeft vergeleken met monster B. Ionische binding en metaalbinding werden gevormd in Al₂O₃ en Al, respectievelijk. En het was bekend dat ionische binding veel sterker was dan metaalbinding, wat de verdampings- en smeltpunt voor Al₂O₃ hoger maakt dan Al. Het smeltpunt en verdampingspunt voor Al₂O₃ zijn 2054 °C en 2980 °C, terwijl het smeltpunt en verdampingspunt voor Al 660 °C en 2519 °C zijn, respectievelijk. Daarnaast is de thermische geleiding 29,3 W/m·K en 237 W/m·K voor Al₂O₃ en Al. Daarom is het moeilijker voor Al₂O₃ om te verdampen en plasma te vormen bij de incidente gepulste laser vanwege het hoge smeltpunt en lage thermische geleiding vergeleken met zuiver aluminium. Daarom, hoewel de lichtabsorptie verbeterd wordt door Al₂O₃ in monster C, verbruikt Al₂O₃ tegelijkertijd een deel van de incidente laserenergie zonder de vlieger te helpen dryven.

De kinetische energie van de vliegers kan verkregen worden door de volgende relatie: E = (m_f − m_a)v²/2, waarbij m_f de oorspronkelijke vliegermassa is, en m_a de geablateerde vliegermassa vertegenwoordigt. Bovendien nemen we aan dat de vlieger een geïntegreerde toestand behoudt tijdens het vliegproces. De geablateerde vliegermassa kan geëvalueerd worden volgens het Lawrence en Trott-model: m_a = (πr²/μ_eff) ln(μ_effI₀(1−k)/ε_d), waarbij r de straal van de vlieger is, μ_eff de effectieve absorptie-index, I₀ de incidente laserintensiteit, k de energieverlies-index, en ε_d de verdampingsenergie.

De energieomzettingsefficiëntie van de vlieger kan aangeduid worden met de volgende vergelijking: ξ = E_f/E_l, waarbij ξ de energieomzettingsefficiëntie van de vlieger aanduidt, E_f de kinetische energie van de vlieger vertegenwoordigt, en E_l de incidente laserenergie vertegenwoordigt.

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

Conclusies

Genanestructureerde absorptielagen werden met succes in-situ bereid op het oppervlak van dunne Al-folies door directe laser-schrijftechnologie. Verder hebben we aangetoond dat door de bestralingslaserpuls te controleren, zowel microschaal- als nanoschaal-structuureigenschappen gerealiseerd kunnen worden. Daardoor kan een substantiële afname in lichtreflectiviteit en een significante verbetering in lichtabsorptie gerealiseerd worden. Door in-situ de nano-absorptielaag op het oppervlak van een Al-folie te bereiden, kan de lichtabsorptie verhoogd worden van 18,7% tot 90,2%. De toename in lichtabsorptie zal op zijn beurt resulteren in een duidelijke toename in de snelheid en kinetische energie van een laser-gedreven vlieger. De energieomzetting van de vlieger met genanestructureerde absorptielaag kan aanzienlijk verbeterd worden vergeleken met Al-folie, de maximale energieomzetting in deze studie bereikt 43,2% wat 1,99 keer die van Al-folie (21,7%) is. Daarom biedt de aluminium-nanostructuur absorptielaag in-situ bereid op het oppervlak van de vlieger een nieuwe methode om de absorptie van laserenergie te verhogen en de energieomzettingsefficiëntie van een LDV te verbeteren. Bovendien is de in-situ bereidingstechnologie gepresenteerd in dit werk ook veelbelovend in velden van fotochemie, sensoren, fotodetectoren en kwantumoptica.

Beschikbaarheid van Data en Materialen

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