Verbesserung der Energieumwandlungseffizienz eines lasergetriebenen Flyers durch eine in situ hergestellte Nanoabsorptionsschicht

Einführung

Ein lasergetriebener Flyer (LDF), der zum Detonieren von Sprengstoffen verwendet wird, bietet einen vielversprechenden Ansatz für eine gut kontrollierte, kurzpulsige Schockkompression von Materialien kondensierter Phase [1, 2, 3, 4]. In einem LDF-Setup wird eine dünne Metallfolie, die von einem transparenten Fenstersubstrat getragen wird, oft von einem Nanosekunden-Pulslaser abgefeuert, eine Schicht der Metallfolie, die als Ablationsschicht bezeichnet wird, wird abgetragen, wodurch sofort Hochdruckplasmen erzeugt werden, und die Plasmen treiben dann die Überreste an der Metallfolie, um als Flieger mit einer Geschwindigkeit von mehreren Kilometern pro Sekunde zu fliegen. Metall-Aluminium ist aufgrund seiner guten Zähigkeit und geringen Dichte ideal als Flyermaterial. Da jedoch durch die hohe Reflexion des reinen Aluminium-Flyers ein großer Teil der Energie verloren geht, ist die Energieumwandlungseffizienz des Flyers (definiert als das Verhältnis zwischen der kinetischen Energie des Flyers und der einfallenden Laserenergie) extrem gering, was begrenzte die praktischen Anwendungen des LDF [5, 6].

Es wurden zahlreiche Arbeiten durchgeführt, um die Energieumwandlungseffizienz von LDF zu verbessern. In Anbetracht der Tatsache, dass die Energieumwandlungseffizienz durch Einbringen einer Schicht mit stärkerer Absorption bei der einfallenden Laserwellenlänge aufgrund geringerer Reflexion verbessert werden könnte [7], wurden viele Materialien mit niedrigerem Reflexionsvermögen im Vergleich zu reinem Aluminium als Absorptionsschicht untersucht. Labasteet al. [8] und Brierley et al. [9] untersuchten mehrere Materialien als Absorptionsschichten zur Verbesserung der Energieumwandlungseffizienz und fanden heraus, dass die Zugabe von Ge, Ti und Zn die Reflexion verringern und die Fluggeschwindigkeit leicht erhöhen kann. Als Absorptionsschicht des Flyers wurde auch ein einziger schwarzer Lack aufgetragen, aber die Geschwindigkeit wurde nicht offensichtlich verbessert. Da diese schwach reflektierenden Materialien nicht nur als Absorptions-, sondern auch als Ablationsschicht dienen, während die Effizienz des Wechselwirkungsmaterials sowohl von den optischen als auch von den thermodynamischen Eigenschaften des Flyermaterials abhängt [10], ist der Anstieg der Flyergeschwindigkeit begrenzt.

In letzter Zeit hat die Verwendung von plasmonischen Nanomaterialien zur Verbesserung der Lichtabsorption durch Anregung von lokalisierter Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR) großes Interesse auf den Gebieten der spektroskopischen Sensoren und der Sonnenenergiekonversion geweckt [11,12,13]. Aluminium-Nanostrukturen können als Lichtsammelsysteme verwendet werden, da sie ein breites Spektrum von ultraviolettem bis sichtbarem Licht der LSPR abdecken [14,15,16,17]. Zhanget al. [18] fanden heraus, dass durch die Integration der Aluminiumpartikel mit Hilfe optischer Simulationen eine Steigerung der Absorption um 40% erreicht werden konnte. Leeet al. [19] berichteten über eine Designstrategie, um eine robuste Plattform für plasmonenverstärktes Lichtsammeln unter Verwendung von Aluminium-Kern-Schale-Nanostrukturen zu erreichen, was zu einer bemerkenswerten Steigerung der photochemischen Umwandlung führte. Fanet al. [20] demonstrierten eine ultraschnelle Laserbearbeitungsstrategie zur Herstellung hocheffektiver Antireflex-Mikro-Nano-Strukturen auf dicken Metalloberflächen und einer durchschnittlichen Reflexion von 4,1 %, 2,4 % und 3,2 % im Breitbandspektrum von Ultraviolett bis Nahinfrarot auf Cu-, Ti- bzw. W-Oberflächen wurden erreicht. Nach unserem besten Wissen gibt es jedoch keine Forschung zur Verwendung von nanostrukturiertem Material zur Verbesserung der Laserabsorption in LDFs.

In dieser Arbeit schlagen wir eine nanostrukturierte Aluminium-Absorptionsschicht vor, die in situ auf der Oberfläche von dünnen Al-Flyern hergestellt wird, um die Laserabsorption und die Energieumwandlungseffizienz zu verbessern. Eine Femtosekunden-Laserschreibtechnologie, die als direktes Laserschreiben bezeichnet wird, wurde aufgrund ihrer Präzision, relativen Einfachheit und hohen Ausbeuterate zur Herstellung der Nanostrukturen verwendet [21,22,23]. Die Morphologie und Zusammensetzung der Oberfläche der in situ hergestellten Nanostrukturen wurde charakterisiert und deren Lichtabsorption getestet. Um die Energieumwandlungseffizienz der Flyer mit einer nanostrukturierten Absorptionsschicht zu bewerten, wurden die Flyer mit Einzelpulslasern gestartet und ihre Geschwindigkeiten wurden durch eine photonische Doppler-Geschwindigkeitsmessung (PDV) bestimmt. Außerdem wurden die kinetische Energie und die Energieumwandlungseffizienz der Flyer berechnet und diskutiert.

Experimentelle Methoden

Probenvorbereitung

Als Referenzflyer wurden Al-Folien mit einer Größe von 60 mm × 60 mm × 50 µm (Breite, Länge und Höhe) verwendet. Diese Folien wurden zuerst elektrochemisch poliert, um eine geringe durchschnittliche Oberflächenrauhigkeit zu erreichen. Die nanostrukturierten Absorptionsschichten wurden dann in situ auf der Oberfläche von Al-Folien durch einen direkt schreibenden Laser unter Luftatmosphäre hergestellt. Das direkte Laserschreiben verwendet einen polarisierten Femtosekundenlaser (FX200-3-GFH, EdgeWave, Deutschland) mit einer Wellenlänge von 1030 nm, einer Pulsdauer von 600  fs und einer Repetitionsrate von 200 kHz. Die Laserausgangsleistung variierte von 0 bis 100   W. Abbildung 1 veranschaulicht den Vorbereitungsprozess für das direkte Laserschreiben zur Herstellung der Proben. Die Nanostrukturen auf der Oberfläche von Al-Folien wurden durch Änderung der Strahlungslaserleistung und der Scangeschwindigkeit und -periode gesteuert. Drei Proben mit unterschiedlichen nanostrukturierten Absorptionsschichten (Proben A, B und C) wurden hergestellt. Probe A wurde mit 22,60-W-Laserpulsen mit einer Scangeschwindigkeit von 1000 mm/s im y . bestrahlt Richtung und 25 µm Abtastperiode. Probe B wurde mit 13,82-W-Laserpulsen mit einer Scangeschwindigkeit von 5000 mm/s in beiden x . bestrahlt und y Richtungen und 1-μm-Abtastperiode. Probe C wurde mit 22,60-W-Laserpulsen mit einer Scangeschwindigkeit von 8000 mm/s in beiden x . bestrahlt und y Richtungen und 100-nm-Abtastzeit.

Schema der Probenvorbereitungsmethode

Charakterisierungsmethoden

Die Morphologie der Probenoberfläche wurde durch Rasterelektronenmikroskopie (REM, Ultra 55, Zeiss, Deutschland) in Kombination mit energiedispersiver Röntgenanalyse (EDX, Oxford, Großbritannien) charakterisiert. Die optische wellenlängenabhängige Reflektivitätsmessung im Wellenlängenbereich von 500 bis 1500 nm für die Proben wurde mit einem UV-VIS-NIR-Spektrophotometer (SolidSpec-3700, Shimadzu, Japan) mit integrierter Ulbrichtkugel durchgeführt.

Abbildung 2 zeigt die experimentellen Aufbauten, die zum Starten des Fluggeräts verwendet wurden, und charakterisieren die Fluggeschwindigkeit, da die Geschwindigkeit einer der Schlüsselfaktoren zur Schätzung der Flugleistung ist. Ein gütegeschalteter Nd:YAG-Laser (Innolas SpitLight 400, 1064-nm-Wellenlänge, 14-ns-Pulslänge) wurde verwendet, um die vorbereiteten Proben abzutragen und zu starten, und ein PDV-System wird verwendet, um die Fluggeschwindigkeit der Proben zu messen. Die räumliche Energieverteilung des Laserstrahls wurde durch eine diffusive Optik homogenisiert, da der fokussierte Strahl selbst stark ungleichmäßig war. Der Laserfleck hatte einen Durchmesser von 0,5 mm. Im Velozimetrie-Experiment wurden Proben in kleine Stücke geschnitten und auf ein Saphirfenster geklebt, wobei die nanostrukturierte Schicht am Fenster haftete. Es wurden Beschleunigungskammern aus Stahl mit einer Dicke von 0,2 mm und einem Innendurchmesser von 0,6 mm verwendet. Sechzig Millijoule einzelne Laserpulse wurden auf die Proben geschossen, um schnell fliegende Flyer in der Beschleunigungskammer zu erzeugen. Eine mit dem PDV-System verbundene optische Faser wurde am Ausgang der Beschleunigungskammer platziert, um die Geschwindigkeit des Flyers aufzuzeichnen.

Schemata des Flyer-Startsystems und des Flyer-Geschwindigkeits-Aufzeichnungssystems (PDV)

Ergebnisse und Diskussion

Mikrostruktur der Absorptionsschicht

Abbildung 3a–f zeigen die Mikrostruktur der nanostrukturierten Absorptionsschicht der Proben A, B und C. Da Probe A mit ultraschnellen Lasern in einer Richtung mit einer Scangeschwindigkeit von v . bestrahlt wurde _x =0 und v _y =1000 mm/s zeigt die Oberfläche der Probe A halbperiodische Strukturen, wie in Fig. 3a gezeigt. Für Probe A in Fig. 3d wurde eine nanosphärische Struktur beobachtet. Die Nanokugeln mit etwa 50–200 nm Durchmesser wurden mit kleineren Nanokugeln bedeckt, deren Durchmesser kleiner als 10 nm waren. Proben B und C wurden in beide Richtungen bestrahlt und ihre Abtastgeschwindigkeiten sind viel höher als die von Probe A; auf ihren Oberflächen wurden keine erkennbaren periodischen Strukturen beobachtet, wie in Abb. 3b und c gezeigt. Bei Probe B wurden viele Partikel im Mikrometerbereich auf ihrer Oberfläche beobachtet (Abb. 3b), und die Partikel bestanden aus Blumenkohl-Nanostrukturen (Abb. 3e). Da Probe C im Vergleich zu den Proben A und B mit einer noch höheren Geschwindigkeit bestrahlt und gescannt wurde, war die Ansammlung von Nanopartikeln viel schneller und der Wärmeeffekt war stärker ausgeprägt. Folglich wurden in Abb. 3c und f viel dickere Nanoblatt- und Nanopartikel-Aggregationen beobachtet. Und an der Oberfläche traten mehrere Risse auf, weil während des Abkühlvorgangs aufgrund des starken Wärmeeintrags relativ hohe Spannungen entstanden.

a REM-Bilder mit × 1000-Vergrößerung für Probe A. b REM-Bilder mit × 1000-Vergrößerung für Probe B. c REM-Bilder mit × 1000-Vergrößerung für Probe C. d REM-Bilder mit × 4000 vergrößert für Probe A. e REM-Bilder mit × 4000 vergrößert für Probe B. f REM-Bilder mit × 4000 vergrößert für Probe C. g EDX für Probe A. h EDX für Probe B. i EDX für Probe C

Abbildung 3g–i sind die Ergebnisse der energiedispersiven Röntgenanalyse (EDX) für die Proben A, B bzw. C. Der EDX zeigte das Vorhandensein von Al₂ O₃ Oxide in der Zusammensetzung von Nanostrukturen. Die Oxide wurden aufgrund der Oxidation von Aluminium während des Laserschreibprozesses gebildet. Die Sauerstoffgehalte der Proben A, B und C betrugen 2,2, 8,4 bzw. 22,9 Atom-%. Anscheinend hatten die Proben B und C im Vergleich zu Probe A einen viel höheren Sauerstoffgehalt, während die Bestrahlungslaserleistung für Probe B (13,82 W) niedriger war als die für Probe A (22,60   W) und die Bestrahlungslaserleistung für Proben A und C . war identisch, was darauf hinweist, dass die Scangeschwindigkeit und die Scandauer die Wärmeentwicklung und -ableitung beim direkten Laserschreiben signifikant beeinflussen. Und die Oxidation nimmt mit der Zunahme der Abtastgeschwindigkeit und der Abnahme der Abtastperiode zu.

Lichtabsorption der Proben

Abbildung 4a zeigt die optische Mikroskopie der Al-Folie und der Flyer mit einer nanostrukturierten Absorptionsschicht. Die Farbe der Al-Folie ist silbrig-weiß. Durch Hinzufügen einer nanostrukturierten Absorptionsschicht weisen die Proben A, B und C graue, schwarze und dunkelschwarze Farben auf, was darauf hinweist, dass mit der Absorptionsschicht mehr Licht absorbiert werden kann. Das Reflexionsvermögen der Al-Folie und der Proben A, B und C wird mit einem Spektrophotometer getestet, und die Messungen werden für jede Probe zweimal wiederholt. Abbildung 4b zeigt das Reflexionsspektrum der Al-Folie und des Aluminium-Flyers mit nanostrukturierter Absorptionsschicht. Da die Transmissionsdicke von Infrarotlicht durch Metalle oft von einigen zehn Nanometern bis zu mehreren hundert Nanometern variiert [24], wurde kein Licht durch die Al-Folienproben mit einer Dicke von 50 µm transmittiert. Und das Streulicht wurde bei der Messung unter Verwendung einer integralen Kugel in das reflektierte Licht eingeschlossen. Folglich konnte die Absorption durch 1-R (Reflexion) berechnet werden. Unterschiede zeigten sich zwischen Al-Folie und dem Aluminium-Flyer mit nanostrukturierter Absorptionsschicht. Das Reflexionsvermögen der Al-Folie betrug 81,3% bei der Laserwellenlänge von 1064  nm, was anzeigt, dass 81,3% des einfallenden Lichts reflektiert wurden. Das durchschnittliche Reflexionsvermögen kann für die Proben A, B bzw. C auf 50,5%, 31,5% und 9,8% reduziert werden. Daher kann die Lichtabsorption mit der durch direktes Laserschreiben hergestellten Nanostruktur-Absorptionsschicht effektiv verbessert werden. Probe C hat die stärkste Absorption (90,2%) bei 1064 nm im Vergleich zu den Proben A und B. Abgesehen von der Wirkung der Nanostrukturen glauben wir, dass das in den Nanostrukturen enthaltene Aluminiumoxid auch die Lichtabsorption des Flyers enorm beeinflusst. Im Allgemeinen Al₂ O₃ ist transparent und absorbiert kein Licht; bei einem direkten Laserschreibprozess ist es jedoch sehr gut möglich, dass das erzeugte Al₂ O₃ und Aluminiumpartikel, um eine Metall-Dielektrikum-Metall-Struktur zu bilden. Die Struktur verhält sich wie ein F-P-Hohlraum, der wiederum die Oberflächenplasmonenresonanz verstärkt und die Lichtabsorption erhöht [25]. Da die Sauerstoffkonzentrationen der Proben A und B weit unter denen der Probe C liegen, bedeutet dies, dass der Al₂ O₃ Partikel sind in Probe C reicher als andere Proben, wodurch ein stärkerer Oberflächenplasmonenresonanzeffekt und eine viel stärkere Absorption erreicht werden können.

a Optikmikroskopische Darstellung der Al-Folie und der Proben A, B und C. b Das Reflexionsspektrum der Al-Folie und der Proben A, B und C

Geschwindigkeit des Flyers

Abbildung 5 zeigt die Fluggeschwindigkeiten der Al-Folie und der Proben A, B und C. Zu Beginn von 30 ns steigt die Fluggeschwindigkeit stark an. Danach erhöht sich die Fluggeschwindigkeit allmählich beginnend von 30 auf 200 ns und ändert sich kaum, wenn die Zeit 200  ns überschreitet. Die Endfluggeschwindigkeit für die Proben A, B und C beträgt 1083 m/s, 1173 m/s bzw. 1110 m/s, was etwa 1,30, 1,41 bzw Frau). Diese Ergebnisse bestätigten, dass die Zugabe einer in situ nanostrukturierten Schicht nicht nur die Lichtabsorption verbessern, sondern auch die Fluggeschwindigkeit fördern kann. Es ist erwähnenswert, dass die Fluggeschwindigkeit für Probe B höher ist als für Probe C, während Probe C die stärkste Lichtabsorption aufweist. Der Grund dafür ist, dass Probe C einen viel reicheren Al₂ . hat O₃ Gehalt im Vergleich zu Probe B. Ionenbindung und Metallbindung wurden in Al₂ . gebildet O₃ bzw. Al. Und es war bekannt, dass die Ionenbindung viel stärker war als die Metallbindung, was den Verdampfungspunkt und Schmelzpunkt für Al₂ O₃ höher als Al. Der Schmelzpunkt und Verdampfungspunkt für Al₂ O₃ sind 2054 °C und 2980 °C, während der Schmelzpunkt und der Verdampfungspunkt für Al 660 °C bzw. 2519 °C betragen. Darüber hinaus beträgt die Wärmeleitfähigkeit 29,3 W/m K und 237  W/m K für Al₂ O₃ und Al. Daher ist es für Al₂ . schwieriger O₃ aufgrund seines hohen Schmelzpunktes und seiner geringen Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu reinem Aluminium zu verdampfen und Plasma am einfallenden gepulsten Laser zu bilden [26]. Obwohl die Lichtabsorption durch Al₂ . erhöht wird, O₃ in Probe C zwischenzeitlich Al₂ O₃ verbraucht einen Teil der einfallenden Laserenergie, hilft aber nicht beim Fahren des Flyers.

a Die Flyer-Geschwindigkeiten von Al-Folie und Proben A, B und C in der Beschleunigungskammer, erhalten unter Verwendung von PDV. b Die terminalen Flyer-Geschwindigkeiten der Al-Folie und der Proben A, B und C

Die kinetische Energie der Flyer erhält man durch die folgende Beziehung:

wo m _f ist die ursprüngliche Flyermasse und m _a stellt die abgetragene Flyermasse dar. Darüber hinaus gehen wir davon aus, dass der Flyer während des Flugprozesses einen integrierten Zustand behält. Die abgetragene Flyermasse kann nach dem Modell von Lawrence und Trott [27] bewertet werden.

wo r ist der Radius des Flyers, μ _eff ist der effektive Absorptionsindex, I ₀ ist die einfallende Laserintensität, k ist der Energieverlustindex und ε _d ist die Verdampfungsenergie.

Die Energieumwandlungseffizienz des Flyers kann mit der folgenden Gleichung angegeben werden:

wo ξ bezeichnet die Energieumwandlungseffizienz des Flyers, E _f stellt die kinetische Energie des Flyers dar und E _l repräsentiert die einfallende Laserenergie.

Die berechneten Ergebnisse der kinetischen Energie und des Energieumwandlungswirkungsgrads des Flyers sind in Abbildung 6 dargestellt. Der Energieumwandlungswirkungsgrad für die Proben A, B und C beträgt 36,8 %, 43,2 % bzw. 38,6 %, was 1,70, 1,99 und und das 1,78-fache der Al-Folie (21,7%). In dieser Arbeit wird die höchste Energieumwandlungseffizienz fast verdoppelt, wenn eine nanostrukturierte Absorptionsschicht auf einer Al-Folie aufgebracht wird. Die experimentellen Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Daher bietet die in-situ-Herstellung einer nanostrukturierten Absorptionsschicht auf der Oberfläche eines Flyers eine neue Methode zur signifikanten Verbesserung der Energieumwandlungseffizienz eines LDF.

Die berechnete kinetische Energie und Energieumwandlungseffizienz der Al-Folie und der Proben A, B und C

Schlussfolgerungen

Nanostrukturierte Absorptionsschichten wurden erfolgreich in situ auf der Oberfläche dünner Al-Folien durch direkte Laserschreibtechnologie hergestellt. Darüber hinaus haben wir gezeigt, dass durch die Steuerung der Laserpulsinjektion sowohl die mikroskaligen als auch die nanoskaligen Strukturmerkmale realisiert werden können. Folglich kann eine wesentliche Verringerung des Lichtreflexionsvermögens und eine signifikante Verbesserung der Lichtabsorption realisiert werden. Durch in-situ-Herstellung der Nanoabsorptionsschicht auf der Oberfläche einer Al-Folie kann die Lichtabsorption von 18,7 auf 90,2% erhöht werden. Die Zunahme der Lichtabsorption führt wiederum zu einer deutlichen Zunahme der Geschwindigkeit und der kinetischen Energie eines lasergetriebenen Flyers. Die Energieumwandlung des Flyers mit nanostrukturierter Absorptionsschicht kann im Vergleich zur Al-Folie deutlich verbessert werden, die maximale Energieumwandlung erreicht in dieser Studie bis zu 43,2 %, was dem 1,99-fachen der Al-Folie (21,7 %) entspricht. Daher bietet die in situ auf der Oberfläche des Flyers hergestellte Aluminium-Nanostruktur-Absorptionsschicht eine neue Methode, um die Absorption von Laserenergie zu erhöhen und die Energieumwandlungseffizienz eines LDF zu verbessern. Darüber hinaus ist die in dieser Arbeit vorgestellte In-situ-Präparationstechnologie auch in den Bereichen Photochemie, Sensorik, Photodetektoren und Quantenoptik vielversprechend.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Autoren erklären, dass die Materialien, Daten und zugehörigen Protokolle den Lesern zur Verfügung stehen und alle für die Analyse verwendeten Daten in diesem Artikel enthalten sind.