Lasergetriebene Flyer-Effizienz durch In-situ-Nanoabsorptionsschichten gesteigert

Zusammenfassung

Drei Arten von Al-Flyerplatten mit unterschiedlichen nanostrukturierten Absorptionsschichten wurden durch Direct-Laser-Writing-Technologie in situ hergestellt, um die Energieumwandlungseffizienz in einer lasergetriebenen Flyer-Anordnung zu verbessern. Mikrostrukturen, Lichtabsorption und Flyer-Geschwindigkeit in der Beschleunigungskammer wurden untersucht. Die Reflexion der Flyer bei 1064 nm Wellenlänge kann durch die nanostrukturierte Absorptionsschicht von 81,3 % auf 9,8 % reduziert werden. Die Endgeschwindigkeit eines 50-µm-dicken Al-Flyers, bestrahlt mit einem 60-mJ-Laserpuls, beträgt 831 m/s, während die Geschwindigkeit des Flyers mit in situ-gefertigter Nanoabsorptionsschicht bis zu 1113 m/s unter gleichen Bedingungen erreicht. Folglich kann die Energieumwandlungseffizienz des Flyers mit nanostrukturierter Absorptionsschicht bis zu 1,99-mal so hoch sein wie die des Al-Flyers. Daher bietet die in situ auf der Flyer-Oberfläche hergestellte nanostrukturierte Absorptionsschicht eine neue Methode, um die Energieumwandlungseffizienz eines lasergetriebenen Flyers signifikant zu verbessern.

Einleitung

Lasergetriebene Flyer (LDF) zur Zündung von Explosivstoffen bieten einen vielversprechenden Ansatz für gut kontrollierte, kurzpulsige Schockkompression von kondensierten Phasenmaterialien. In einem LDF-Aufbau wird eine dünne Metallfolie, getragen von einem transparenten Fenstersubstrat, häufig durch einen Nanosekunden-Pulslaser gestartet. Eine Schicht der Metallfolie, die Ablationsschicht, wird abgetragen und erzeugt augenblicklich Hochdruck-Plasmen, die die Reste der Metallfolie auf mehrere Kilometer pro Sekunde als Flyer beschleunigen. Aluminium ist aufgrund seiner guten Zähigkeit und geringen Dichte ideal als Flyer-Material. Da jedoch ein großer Energieanteil durch die hohe Reflexion des reinen Aluminium-Flyers verloren geht, ist die Energieumwandlungseffizienz des Flyers (definiert als Verhältnis zwischen Flyer-Kinenergie und einfallender Laserenergie) extrem niedrig, was die praktischen Anwendungen von LDF stark begrenzt.

Zahlreiche Arbeiten wurden durchgeführt, um die Energieumwandlungseffizienz von LDF zu verbessern. Da die Effizienz durch Einführung einer Schicht mit stärkerer Absorption bei der einfallenden Laserwellenlänge aufgrund verringerter Reflexion gesteigert werden kann, wurden viele Materialien mit geringerer Reflexion als reines Aluminium als Absorptionsschicht untersucht. Labaste et al. und Brierley et al. untersuchten mehrere Materialien als Absorptionsschichten und fanden, dass Zugabe von Ge, Ti und Zn die Reflexion verringert und die Flyer-Geschwindigkeit leicht erhöht. Ein einzelner Anstrich schwarzer Farbe wurde auch als Absorptionsschicht angewendet, aber die Geschwindigkeit wurde nicht offensichtlich verbessert. Da diese niedrigreflektierenden Materialien nicht nur als Absorptions- sondern auch als Ablationsschicht dienen, während die Wechselwirkungsmaterialeffizienz sowohl von optischen als auch thermodynamischen Eigenschaften des Flyer-Materials abhängt, ist die Geschwindigkeitssteigerung begrenzt.

Kürzlich hat die Verwendung plasmonischer Nanomaterialien zur Verbesserung der Lichtabsorption durch Anregung lokalisierter Oberflächenplasmonenresonanzen (LSPR) großes Interesse in den Bereichen spektroskopische Sensoren und Solarenergieumwandlung geweckt. Aluminium-Nanostrukturen können als Lichternte-Systeme dienen, da sie ein breites Spektrum von Ultraviolett bis sichtbarem Licht bei LSPR abdecken. Zhang et al. fanden durch optische Simulationen eine Absorptionssteigerung von 40 % durch Integration von Aluminium-Partikeln. Lee et al. berichteten eine Designstrategie für eine robuste Plattform für plasmonenverstärktes Lichternte mit Aluminium-Kern-Schale-Nanostrukturen, was zu bemerkenswerter Steigerung der Photo-zu-Chemie-Umwandlung führte. Fan et al. demonstrierten eine Ultrakurzpuls-Laser-Strategie zur Herstellung hocheffektiver Antireflexions-Mikro-Nano-Strukturen auf dicken Metalloberflächen und erreichten durchschnittliche Reflexionen von 4,1 %, 2,4 % und 3,2 % im Breitband-Spektrum von Ultraviolett bis Nahinfrarot auf Cu, Ti bzw. W. Soweit uns bekannt, gibt es jedoch keine Forschung zur Verwendung nanostrukturierter Materialien zur Verbesserung der Laserabsorption in LDFs.

In dieser Arbeit schlagen wir eine nanostrukturierte Aluminium-Absorptionsschicht vor, die in situ auf der Oberfläche dünner Al-Flyer hergestellt wird, um Laserabsorption und Energieumwandlungseffizienz zu verbessern. Eine Femtosekunden-Laser-Schreibtechnologie namens Direct Laser Writing wurde zur Fertigung der Nanostrukturen aufgrund ihrer Präzision, relativen Einfachheit und hoher Ausbeute genutzt. Morphologie und Zusammensetzung der Oberfläche der in situ hergestellten Nanostrukturen wurden charakterisiert und ihre Lichtabsorption getestet. Zur Bewertung der Energieumwandlungseffizienz der Flyer mit nanostrukturierter Absorptionsschicht wurden die Flyer mit Einpuls-Lasern gestartet und ihre Geschwindigkeiten per Photonic Doppler Velocimetry (PDV) ermittelt. Weiterhin wurden kinetische Energie und Energieumwandlungseffizienz der Flyer berechnet und diskutiert.

Experimentelle Methoden

Probenherstellung

Al-Folien mit 60 mm × 60 mm × 50 µm (Breite, Länge, Höhe) dienten als Referenz-Flyer. Diese Folien wurden zuerst elektrochemisch poliert, um eine niedrige mittlere Oberflächenrauheit zu erreichen. Die nanostrukturierten Absorptionsschichten wurden dann in situ auf der Oberfläche der Al-Folien durch Direct Laser Writing unter Luftatmosphäre hergestellt. Das Direct Laser Writing nutzte einen polarisierten Femtosekundenlaser (FX200-3-GFH, EdgeWave, Deutschland) mit 1030 nm Wellenlänge, 600 fs Pulsdauer und 200 kHz Repetitionsrate. Die Ausgangslaserleistung variierte von 0 bis 100 W. Abbildung 1 illustriert den Direct-Laser-Writing-Herstellungsprozess. Die Nanostrukturen auf der Al-Folien-Oberfläche wurden durch Variation der Bestrahlungslaserleistung, Scanngeschwindigkeit und Periode gesteuert. Drei Proben mit unterschiedlichen nanostrukturierten Absorptionsschichten (Proben A, B, C) wurden hergestellt. Probe A wurde mit 22,60 W Laserleistung, 1000 mm/s Scangeschwindigkeit in y-Richtung und 25 µm Scanperiode bestrahlt. Probe B mit 13,82 W, 5000 mm/s in x- und y-Richtung und 1 µm Scanperiode. Probe C mit 22,60 W, 8000 mm/s in x- und y-Richtung und 100 nm Scanperiode.

Charakterisierungsmethoden

Die Morphologie der Probenoberflächen wurde durch Rasterelektronenmikroskopie (SEM, Ultra 55, Zeiss, Deutschland) kombiniert mit energiedispersiver Röntgenanalyse (EDX, Oxford, Großbritannien) charakterisiert. Die optische wellenlängenabhängige Reflexionsmessung im Wellenlängenbereich 500–1500 nm wurde mit einem UV-VIS-NIR-Spektrophotometer (SolidSpec-3700, Shimadzu, Japan) mit Integriersphäre durchgeführt.

Abbildung 2 zeigt die experimentellen Aufbauten zum Starten des Flyers und zur Charakterisierung der Flyer-Geschwindigkeit, da die Geschwindigkeit ein Schlüsselfaktor zur Abschätzung der Flyer-Leistung ist. Ein Q-geschalteter Nd:YAG-Laser (Innolas SpitLight 400, 1064 nm Wellenlänge, 14 ns Pulslänge) wurde zum Ablatieren und Starten der Proben eingesetzt, und ein PDV-System zur Messung der Flyer-Geschwindigkeit. Die räumliche Energieverteilung des Laserstrahls wurde durch ein diffuses Optik homogenisiert, da der fokussierte Strahl selbst hochgradig inhomogen war. Der Laserfleck hatte 0,5 mm Durchmesser. Im Geschwindigkeits-Experiment wurden Proben in kleine Stücke geschnitten und auf ein Saphirfenster geklebt, wobei die nanostrukturierte Schicht am Fenster anlag. Stahl-Beschleunigungskammern mit 0,2 mm Dicke und 0,6 mm Innendurchmesser wurden verwendet. 60-mJ-Einzel-Laserpulse wurden auf die Proben geschossen, um schnelle Flyer in der Beschleunigungskammer zu erzeugen. Ein mit dem PDV-System verbundenes Lichtwellenleiter wurde am Ausgang der Beschleunigungskammer platziert, um die Flyer-Geschwindigkeit aufzuzeichnen.

Ergebnisse und Diskussion

Mikrostruktur der Absorptionsschicht

Abbildung 3a–f zeigt die Mikrostruktur der nanostrukturierten Absorptionsschicht der Proben A, B, C. Da Probe A mit Ultrakurzpulslasern in eine Richtung bestrahlt wurde (v_x = 0, v_y = 1000 mm/s), zeigt die Oberfläche halbperiodische Strukturen (Abb. 3a). Für Probe A wurde eine Nano-Kugelstruktur beobachtet (Abb. 3d): Nano-Kugeln mit 50–200 nm Durchmesser, bedeckt mit kleineren Nano-Kugeln (<10 nm). Proben B und C wurden in beide Richtungen bestrahlt mit deutlich höheren Scangeschwindigkeiten; keine offensichtlichen periodischen Strukturen waren auf ihren Oberflächen sichtbar (Abb. 3b, c). Probe B zeigt viele Mikrometer-Partikel (Abb. 3b), bestehend aus Blumenkohl-Nanostrukturen (Abb. 3e). Da Probe C mit noch höherer Geschwindigkeit bestrahlt und gescannt wurde, war die Nanopartikel-Akkumulation schneller und der Wärmeeffekt prominenter. Daher wurden deutlich dickere Nanoschicht- und Nanopartikel-Aggregationen beobachtet (Abb. 3c, f). Mehrere Risse traten aufgrund relativ hoher Spannungen während des Abkühlprozesses durch prominente Wärmeeinbringung auf.

Abbildung 3g–i zeigt die EDX-Ergebnisse für Proben A, B, C. EDX wies Al₂O₃-Oxide in der Nanostruktur-Zusammensetzung nach. Die Oxide entstanden durch Oxidation von Aluminium während des Laser-Schreibprozesses. Die Sauerstoffgehalte von Proben A, B, C betrugen 2,2, 8,4 bzw. 22,9 At-%. Offensichtlich hatten Proben B und C viel höheren Sauerstoffgehalt als Probe A, obwohl die Bestrahlungsleistung für Probe B (13,82 W) niedriger war als für Probe A (22,60 W) und für Proben A und C identisch war. Dies zeigt, dass Scangeschwindigkeit und Scanperiode die Wärmeerzeugung und -ableitung beim Direct Laser Writing signifikant beeinflussen. Die Oxidation nimmt mit steigender Scangeschwindigkeit und abnehmender Scanperiode zu.

Lichtabsorption der Proben

Abbildung 4a zeigt die optischen Mikroskop-Aufnahmen von Al-Folie und Flyern mit nanostrukturierter Absorptionsschicht. Al-Folie ist silbrig-weiß. Mit nanostrukturierter Absorptionsschicht erscheinen Proben A, B, C grau, schwarz und dunkel-schwarz, was auf erhöhte Lichtabsorption hinweist. Die Reflexion von Al-Folie und Proben A, B, C wurde per Spektrophotometer gemessen, jede Messung zweimal wiederholt. Abbildung 4b zeigt das Reflexionsspektrum. Da die Transmissionstiefe von Infrarotlicht durch Metalle oft zwischen wenigen zehn nm und mehreren hundert nm variiert, wurde kein Licht durch die 50-µm-dicken Al-Folienproben transmittiert. Streulicht wurde im reflektierten Licht bei Messung mit Integriersphäre erfasst. Daher kann Absorption als 1−R (Reflexion) berechnet werden. Deutliche Unterschiede zeigten sich zwischen Al-Folie und Flyern mit nanostrukturierter Absorptionsschicht. Al-Folien-Reflexion betrug 81,3 % bei 1064 nm Laserwellenlänge (81,3 % Einfallslicht reflektiert). Die durchschnittliche Reflexion sank auf 50,5 %, 31,5 % und 9,8 % für Proben A, B, C. Damit kann Lichtabsorption durch die nanostrukturierte Absorptionsschicht effektiv erhöht werden. Probe C hat die stärkste Absorption (90,2 %) bei 1064 nm. Neben dem Nanostruktur-Effekt glauben wir, dass das in den Nanostrukturen vorhandene Aluminiumoxid die Lichtabsorption des Flyers ebenfalls stark beeinflusst. Allgemein ist Al₂O₃ transparent und absorbiert kein Licht; jedoch können im Direct-Laser-Writing-Prozess entstehende Al₂O₃- und Aluminium-Partikel eine Metall-Dielektrikum-Metall-Struktur bilden, die als F-P-Kavität wirkt, die Oberflächenplasmonenresonanz verstärkt und Lichtabsorption erhöht. Da die Sauerstoffkonzentrationen von Proben A und B weit unter der von Probe C liegen, sind Al₂O₃-Partikel in Probe C reicher, was zu stärkerer Oberflächenplasmonenresonanz und deutlich stärkerer Absorption führt.

Geschwindigkeit des Flyers

Abbildung 5 zeigt die Flyer-Geschwindigkeiten von Al-Folie und Proben A, B, C. Zu Beginn (0–30 ns) steigt die Flyer-Geschwindigkeit steil an. Danach steigt sie allmählich von 30 bis 200 ns und ändert sich kaum nach 200 ns. Die Endgeschwindigkeiten für Proben A, B, C betragen 1083 m/s, 1173 m/s bzw. 1110 m/s, was ~1,30-, 1,41- und 1,33-mal höher ist als Al-Folie (831 m/s). Dies bestätigt, dass die in situ nanostrukturierte Schicht nicht nur Lichtabsorption erhöht, sondern auch Flyer-Geschwindigkeit fördert. Bemerkenswert: Probe B hat höhere Flyer-Geschwindigkeit als Probe C, obwohl Probe C stärkste Lichtabsorption aufweist. Grund: Probe C hat weit höheren Al₂O₃-Gehalt als Probe B. In Al₂O₃ und Al liegen Ionen- bzw. Metallbindungen vor. Ionenbindungen sind weit stärker als Metallbindungen, was Schmelz- und Verdampfungspunkt von Al₂O₃ höher macht als Al. Schmelzpunkt/Verdampfungspunkt: Al₂O₃ 2054 °C/2980 °C, Al 660 °C/2519 °C. Wärmeleitfähigkeit: Al₂O₃ 29,3 W/m·K, Al 237 W/m·K. Daher ist es für Al₂O₃ schwieriger, bei einfallendem Pulslaser zu verdampfen und Plasma zu bilden, aufgrund höherem Schmelzpunkt und geringerer Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu reinem Aluminium. Somit verbraucht Al₂O₃ in Probe C zwar Lichtabsorption, aber gleichzeitig einen Teil der einfallenden Laserenergie, ohne den Flyer anzutreiben.

Die kinetische Energie der Flyer ergibt sich aus: E = (m_f − m_a)v²/2, wobei m_f die ursprüngliche Flyer-Masse und m_a die ablatierte Flyer-Masse ist. Wir nehmen an, der Flyer behält einen integrierten Zustand während des Flugs. Die ablatierte Masse kann nach dem Lawrence-Trott-Modell bewertet werden: m_a = (πr²/μ_eff) ln(μ_effI₀(1−k)/ε_d), wobei r der Flyer-Radius, μ_eff der effektive Absorptionsindex, I₀ die einfallende Laserintensität, k der Energieverlustindex und ε_d die Verdampfungsenergie.

Die Energieumwandlungseffizienz des Flyers: ξ = E_f/E_l, wobei ξ die Effizienz, E_f die kinetische Energie des Flyers und E_l die einfallende Laserenergie ist.

Die berechneten Ergebnisse für Flyer-Kinenergie und Energieumwandlungseffizienz sind in Abbildung 6 dargestellt. Die Effizienzen für Proben A, B, C betragen 36,8 %, 43,2 % bzw. 38,6 %, was 1,70-, 1,99- und 1,78-mal der Al-Folie (21,7 %) entspricht. In dieser Arbeit wurde die höchste Energieumwandlungseffizienz durch Hinzufügen einer nanostrukturierten Absorptionsschicht auf Al-Folie fast verdoppelt. Die experimentellen Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Daher bietet die in situ Fertigung einer nanostrukturierten Absorptionsschicht auf der Flyer-Oberfläche eine neue Methode, um die Energieumwandlungseffizienz eines LDF signifikant zu verbessern.

Schlussfolgerungen

Nanostrukturierte Absorptionsschichten wurden erfolgreich in situ auf dünnen Al-Folien durch Direct-Laser-Writing-Technologie hergestellt. Wir demonstrierten, dass durch Steuerung der Laserpuls-Injektion sowohl Mikro- als auch Nanostrukturmerkmale realisiert werden können. Folglich kann eine erhebliche Verringerung der Lichtreflexion und signifikante Erhöhung der Lichtabsorption erreicht werden. Durch in situ Herstellung der Nanoabsorptionsschicht auf Al-Folie kann Lichtabsorption von 18,7 % auf 90,2 % gesteigert werden. Die erhöhte Lichtabsorption führt zu deutlicher Erhöhung von Geschwindigkeit und kinetischer Energie eines lasergetriebenen Flyers. Die Energieumwandlung des Flyers mit nanostrukturierter Absorptionsschicht kann signifikant gegenüber Al-Folie verbessert werden; die maximale Energieumwandlung in dieser Studie erreicht 43,2 %, was 1,99-mal der Al-Folie (21,7 %) entspricht. Daher bietet die in situ auf der Flyer-Oberfläche hergestellte Aluminium-Nanostruktur-Absorptionsschicht eine neue Methode zur Erhöhung der Laserenergie-Absorption und Verbesserung der Energieumwandlungseffizienz eines LDF. Zudem ist die in dieser Arbeit vorgestellte in situ Fertigungstechnologie auch vielversprechend für Bereiche wie Photochemie, Sensorik, Photodetektoren und Quantenoptik.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

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