Aumento da Eficiência de Flyers Impulsionados a Laser com Camadas de Absorção Nano In Situ

Resumo

Três tipos de placas flyer de Al com diferentes camadas de absorção nanoestruturadas foram preparados in situ por uma tecnologia de escrita a laser direta para melhorar a eficiência de conversão de energia em um conjunto de flyer impulsionado a laser. Microestruturas, absorção de luz e velocidade do flyer na câmara de aceleração foram investigadas. A reflectância dos flyers no comprimento de onda de 1064 nm pode ser reduzida de 81,3% para 9,8% pela camada de absorção nanoestruturada. A velocidade terminal de um flyer de Al de 50 μm de espessura irradiado por um pulso de laser de 60 mJ é 831 m/s, enquanto a velocidade do flyer com uma camada de absorção nano fabricada in situ atinge até 1113 m/s na mesma condição. Consequentemente, a eficiência de conversão de energia do flyer com camada de absorção nanoestruturada pode atingir até 1,99 vezes a do flyer de Al. Portanto, a camada de absorção nanoestruturada preparada in situ na superfície de um flyer fornece um novo método para melhorar significativamente a eficiência de conversão de energia de um flyer impulsionado a laser.

Introdução

Flyers impulsionados a laser (LDF) usados para detonar explosivos oferecem uma abordagem promissora para compressão de choque de pulso curto bem controlada de materiais de fase condensada. Em uma configuração LDF, uma fina lâmina metálica suportada por um substrato de janela transparente é frequentemente lançada por um laser pulsado de nanossegundos, uma camada da lâmina metálica chamada camada de ablação é ablatada gerando plasmas de alta pressão instantaneamente, e os plasmas então impulsionam os restos da lâmina metálica a voar a uma velocidade de vários quilômetros por segundo como um flyer. O alumínio metálico é ideal como material de flyer devido à sua boa tenacidade e baixa densidade. No entanto, como uma grande fração de energia é perdida devido à alta reflexão do flyer de alumínio puro, a eficiência de conversão de energia do flyer (definida como a razão entre a energia cinética do flyer e a energia do laser incidente) é extremamente baixa, o que limitou muito as aplicações práticas do LDF.

Muitos trabalhos foram realizados com o propósito de melhorar a eficiência de conversão de energia do LDF. Considerando que a eficiência de conversão de energia poderia ser melhorada pela introdução de uma camada com absorção mais forte no comprimento de onda do laser incidente devido à reflexão diminuída, muitos materiais com reflectividade menor comparada ao alumínio puro foram estudados como camada de absorção. Labaste et al. e Brierley et al. investigaram vários materiais como camadas de absorção para melhorar a eficiência de conversão de energia e descobriram que a adição de Ge, Ti e Zn pode diminuir a reflexão e aumentar ligeiramente a velocidade do flyer. Uma única camada de tinta preta também foi aplicada como camada de absorção do flyer, mas a velocidade não foi obviamente melhorada. Como esses materiais de baixa reflectividade servem não apenas como absorção, mas também como camada de ablação, enquanto a eficiência do material de interação depende tanto das propriedades ópticas quanto termodinâmicas do material do flyer, o aumento da velocidade do flyer é limitado.

Recentemente, o uso de nanomateriais plasmônicos para melhorar a absorção de luz através da excitação de ressonância de plasmon de superfície localizada (LSPR) atraiu considerável interesse nos campos de sensores espectroscópicos e conversão de energia solar. Nanoestruturas de alumínio podem ser usadas como sistemas de captação de luz porque cobrem uma ampla faixa espectral do ultravioleta à luz visível de LSPR. Zhang et al. descobriram que um aumento de 40% na absorção poderia ser alcançado integrando partículas de alumínio usando simulações ópticas. Lee et al. relataram uma estratégia de design para alcançar uma plataforma robusta para captação de luz aprimorada por plasmônicos usando nanoestruturas core-shell de alumínio, resultando em um aumento notável na conversão foto-química. Fan et al. demonstraram uma estratégia de processamento a laser ultrarrápido para fabricar micro-nanoestruturas antirreflexo altamente eficazes em superfícies metálicas espessas, alcançando uma reflectância média de 4,1%, 2,4% e 3,2% no espectro de banda larga do ultravioleta ao infravermelho próximo em superfícies de Cu, Ti e W, respectivamente. No entanto, para o melhor de nosso conhecimento, não há pesquisa sobre o uso de material nanoestruturado para melhorar a absorção de laser em LDFs.

Neste trabalho, propomos uma camada de absorção de alumínio nanoestruturada preparada in situ na superfície de flyers finos de Al para melhorar a absorção de laser e a eficiência de conversão de energia. Uma tecnologia de escrita a laser femtosegundo chamada escrita a laser direta foi utilizada para fabricar as nanoestruturas devido à sua precisão, relativa simplicidade e alta taxa de rendimento. A morfologia e composição da superfície das nanoestruturas preparadas in situ foram caracterizadas e sua absorção de luz testada. Para avaliar a eficiência de conversão de energia dos flyers com camada de absorção nanoestruturada, os flyers foram lançados usando lasers de pulso único e suas velocidades obtidas por velocimetria Doppler fotônica (PDV). Além disso, a energia cinética e a eficiência de conversão de energia dos flyers foram calculadas e discutidas.

Métodos Experimentais

Preparação das Amostras

Folhas de Al com tamanho de 60 mm × 60 mm × 50 μm (largura, comprimento e altura) foram usadas como flyer de referência. Essas folhas foram primeiro polidas eletroquimicamente para alcançar uma baixa rugosidade média de superfície. As camadas de absorção nanoestruturadas foram então preparadas in situ na superfície das folhas de Al por um laser de escrita direta sob atmosfera de ar. A escrita a laser direta usou um laser femtosegundo polarizado (FX200-3-GFH, EdgeWave, Alemanha) com comprimento de onda de 1030 nm, duração de pulso de 600 fs e taxa de repetição de 200 kHz. A potência do laser de saída variou de 0 a 100 W. A Figura 1 ilustra o processo de preparação por escrita a laser direta para fabricar as amostras. As nanoestruturas na superfície das folhas de Al foram controladas alterando a potência do laser de radiação e a velocidade e período de varredura. Três amostras com diferentes camadas de absorção nanoestruturadas (amostras A, B e C) foram preparadas. A amostra A foi irradiada por pulsos de laser de 22,60 W com velocidade de varredura de 1000 mm/s na direção y e período de varredura de 25 μm. A amostra B foi irradiada por pulsos de laser de 13,82 W com velocidade de varredura de 5000 mm/s nas direções x e y e período de varredura de 1 μm. A amostra C foi irradiada por pulsos de laser de 22,60 W com velocidade de varredura de 8000 mm/s nas direções x e y e período de varredura de 100 nm.

Métodos de Caracterização

A morfologia da superfície das amostras foi caracterizada por microscopia eletrônica de varredura (SEM, Ultra 55, Zeiss, Alemanha) combinada com análise de raios X por energia dispersiva (EDX, Oxford, Grã-Bretanha). A medição de reflectividade dependente do comprimento de onda óptico na faixa de 500 a 1500 nm para as amostras foi realizada com um espectrofotômetro UV-VIS-NIR (SolidSpec-3700, Shimadzu, Japão) incorporado com uma esfera integradora.

A Figura 2 ilustra os setups experimentais usados para lançar o flyer e caracterizar a velocidade do flyer, pois a velocidade é um dos fatores-chave para estimar o desempenho do flyer. Um laser Nd:YAG Q-switched (Innolas SpitLight 400, comprimento de onda 1064 nm, comprimento de pulso 14 ns) foi empregado para ablatar e lançar as amostras preparadas, e um sistema PDV é aplicado para medir a velocidade do flyer das amostras. A distribuição espacial de energia do feixe de laser foi homogeneizada por uma óptica difusiva, já que o feixe focalizado em si era altamente não uniforme. O ponto do laser tinha diâmetro de 0,5 mm. No experimento de velocimetria, as amostras foram cortadas em pequenos pedaços e aderidas a uma janela de safira com a camada nanoestruturada voltada para a janela. Câmaras de aceleração de aço com espessura de 0,2 mm e diâmetro interno de 0,6 mm foram usadas. Pulsos de laser únicos de 60 milijoules foram disparados nas amostras para produzir flyers voadores rápidos na câmara de aceleração. Uma fibra óptica conectada ao sistema PDV foi colocada na saída da câmara de aceleração para registrar a velocidade do flyer.

Resultados e Discussão

Microestrutura da Camada de Absorção

A Figura 3a-f mostra a microestrutura da camada de absorção nanoestruturada das amostras A, B e C. Como a amostra A foi irradiada por lasers ultrarrápidos em uma direção com velocidade de varredura v_x = 0 e v_y = 1000 mm/s, a superfície da amostra A exibe estruturas semi-periódicas, como mostrado na Fig. 3a. Uma nanoestrutura esférica foi observada para a amostra A na Fig. 3d. Nanoesferas com diâmetro de cerca de 50-200 nm foram cobertas com nanoesferas menores cujos diâmetros eram menores que 10 nm. As amostras B e C foram irradiadas em ambas as direções e suas velocidades de varredura são muito maiores que a amostra A; nenhuma estrutura periódica evidente foi observada em suas superfícies, como mostrado na Fig. 3b e c. Quanto à amostra B, muitas partículas na escala de micrômetros foram observadas em sua superfície (Fig. 3b), e as partículas eram compostas de nanoestruturas de couve-flor (Fig. 3e). Como a amostra C foi irradiada e varrida por uma velocidade ainda maior comparada às amostras A e B, a acumulação de nanopartículas foi muito mais rápida e o efeito de calor foi mais proeminente. Consequentemente, agregações de nanofolhas e nanopartículas muito mais espessas foram observadas na Fig. 3c e f. E múltiplas rachaduras ocorreram na superfície porque estresse relativamente alto emergiu durante o processo de resfriamento devido à entrada de calor proeminente.

A Figura 3g-i são os resultados de análise de raios X por energia dispersiva (EDX) para as amostras A, B e C, respectivamente. O EDX mostrou a presença de óxidos Al₂O₃ na composição das nanoestruturas. Os óxidos foram formados devido à oxidação do alumínio durante o processo de escrita a laser. Os teores de oxigênio das amostras A, B e C foram 2,2, 8,4 e 22,9 at%, respectivamente. Aparentemente, as amostras B e C tiveram teor de oxigênio muito maior comparado à amostra A, enquanto a potência do laser de irradiação para a amostra B (13,82 W) foi menor que a da amostra A (22,60 W) e a potência do laser de irradiação para as amostras A e C foi idêntica, indicando que a velocidade de varredura e o período de varredura influenciam significativamente a geração e dissipação de calor durante a escrita a laser direta. E a oxidação aumenta com o aumento da velocidade de varredura e diminuição do período de varredura.

Absorção de Luz das Amostras

A Figura 4a mostra as aparências de microscópio óptico da folha de Al e dos flyers com camada de absorção nanoestruturada. A cor da folha de Al é branco prateado. Com a adição de uma camada de absorção nanoestruturada, as amostras A, B e C exibem cores cinza, preto e preto escuro, indicando que mais luz pode ser absorvida com a camada de absorção. A reflectância da folha de Al e das amostras A, B e C é testada por um espectrofotômetro, e as medições são repetidas duas vezes para cada amostra. A Figura 4b mostra o espectro de reflectância da folha de Al e do flyer de alumínio com camada de absorção nanoestruturada. Como a espessura de transmissão de luz infravermelha através de metais frequentemente varia de algumas dezenas de nanômetros a várias centenas de nanômetros, assim, nenhuma luz foi transmitida através das amostras de folha de Al cuja espessura era 50 μm. E a luz espalhada foi incluída na luz refletida na medição usando uma esfera integradora. Consequentemente, a absorção poderia ser calculada por 1-R (reflectância). Diferenças eram evidentes entre a folha de Al e o flyer de alumínio com camada de absorção nanoestruturada. A reflectância da folha de Al era 81,3% no comprimento de onda do laser de 1064 nm, indicando que 81,3% da luz incidente era refletida. A reflectância média pode ser reduzida para 50,5%, 31,5% e 9,8% para as amostras A, B e C, respectivamente. Portanto, a absorção de luz pode ser efetivamente aumentada com a camada de absorção nanoestruturada preparada por escrita a laser direta. A amostra C tem a absorção mais forte (90,2%) a 1064 nm comparada às amostras A e B. Além do efeito das nanoestruturas, acreditamos que o óxido de alumínio presente nas nanoestruturas também influencia tremendamente a absorção de luz do flyer. Geralmente, Al₂O₃ é transparente e não absorve luz; no entanto, em um processo de escrita a laser direta, é altamente possível que o Al₂O₃ gerado e partículas de alumínio formem uma estrutura metal-dielétrico-metal. A estrutura se comporta como uma cavidade F-P que, por sua vez, aumentará a ressonância de plasmon de superfície e aumentará a absorção de luz. Como as concentrações de oxigênio das amostras A e B são muito menores que a da amostra C, implicando que as partículas de Al₂O₃ são mais ricas na amostra C que nas outras, resultando em um efeito de ressonância de plasmon de superfície mais aprimorado e absorção muito mais forte.

Velocidade do Flyer

A Figura 5 mostra as velocidades dos flyers da folha de Al e amostras A, B e C. No início de 30 ns, a velocidade do flyer aumenta acentuadamente. Depois, a velocidade do flyer aumenta gradualmente começando de 30 a 200 ns, e mal muda quando o tempo excede 200 ns. A velocidade terminal do flyer para as amostras A, B e C é 1083 m/s, 1173 m/s e 1110 m/s, respectivamente, o que é cerca de 1,30, 1,41 e 1,33 vezes maior que a da folha de Al (831 m/s). Esses resultados confirmaram que a adição de uma camada nanoestruturada in situ pode não apenas aumentar a absorção de luz, mas também promover a velocidade do flyer. Vale mencionar que a velocidade do flyer para a amostra B é maior que a da amostra C, enquanto a amostra C tem a absorção de luz mais forte. A razão é que a amostra C tem um teor de Al₂O₃ muito mais rico comparado à amostra B. Ligação iônica e ligação metálica foram formadas em Al₂O₃ e Al, respectivamente. E sabe-se que a ligação iônica era muito mais forte que a ligação metálica, o que torna o ponto de vaporização e fusão para Al₂O₃ mais altos que Al. O ponto de fusão e vaporização para Al₂O₃ são 2054 °C e 2980 °C, enquanto para Al são 660 °C e 2519 °C, respectivamente. Além disso, a condutividade térmica é 29,3 W/m K e 237 W/m K para Al₂O₃ e Al. Portanto, é mais difícil para Al₂O₃ vaporizar e formar plasma no laser pulsado incidente devido ao seu alto ponto de fusão e baixa condutividade térmica comparado ao alumínio puro. Portanto, embora a absorção de luz seja aumentada pelo Al₂O₃ na amostra C, ao mesmo tempo, o Al₂O₃ consome parte da energia do laser incidente enquanto não ajuda a impulsionar o flyer.

A energia cinética dos flyers pode ser obtida pela seguinte relação: E = (m_f − m_a)v²/2 (1), onde m_f é a massa original do flyer, e m_a representa a massa do flyer ablatada. Além disso, assumimos que o flyer mantém um estado integrado durante o processo de voo. A massa do flyer ablatada pode ser avaliada de acordo com o modelo de Lawrence e Trott: m_a = πr²/μ_eff ln(μ_effI₀(1−k)/ε_d) (2), onde r é o raio do flyer, μ_eff é o índice de absorção efetivo, I₀ é a intensidade do laser incidente, k é o índice de perda de energia, e ε_d é a energia de vaporização.

A eficiência de conversão de energia do flyer pode ser denotada usando a seguinte equação: ξ = E_f/E_l (3), onde ξ denota a eficiência de conversão de energia do flyer, E_f representa a energia cinética do flyer, e E_l representa a energia do laser incidente.

Os resultados calculados da energia cinética do flyer e eficiência de conversão de energia foram ilustrados na Fig. 6. A eficiência de conversão de energia para as amostras A, B e C é 36,8%, 43,2% e 38,6%, respectivamente, o que é 1,70, 1,99 e 1,78 vezes a da folha de Al (21,7%). Neste trabalho, quando uma camada de absorção nanoestruturada é adicionada na folha de Al, a maior eficiência de conversão de energia quase dobrou. Os resultados experimentais são resumidos na Tabela 1. Portanto, a fabricação in situ de uma camada de absorção nanoestruturada na superfície de um flyer fornece um novo método para melhorar significativamente a eficiência de conversão de energia de um LDF.

Conclusões

Camadas de absorção nanoestruturadas foram preparadas com sucesso in situ na superfície de folhas finas de Al por tecnologia de escrita a laser direta. Além disso, demonstramos que, controlando a injeção de pulso de laser, tanto características estruturais de microescala quanto nanoescala podem ser realizadas. Consequentemente, uma diminuição substancial na reflectividade de luz e um aumento significativo na absorção de luz podem ser realizados. Ao preparar in situ a camada de absorção nano na superfície de uma folha de Al, a absorção de luz pode ser aumentada de 18,7% para 90,2%. O aumento na absorção de luz resultará, por sua vez, em um aumento evidente na velocidade e energia cinética de um flyer impulsionado a laser. A conversão de energia do flyer com camada de absorção nanoestruturada pode ser significativamente melhorada comparada com a folha de Al, a máxima eficiência de conversão de energia neste estudo atinge 43,2%, que é 1,99 vezes a da folha de Al (21,7%). Portanto, a camada de absorção de nanoestrutura de alumínio preparada in situ na superfície do flyer fornece um novo método para aumentar a absorção de energia do laser e melhorar a eficiência de conversão de energia de um LDF. Além disso, a tecnologia de preparação in situ apresentada neste trabalho também é promissora nos campos de fotoquímica, sensoriamento, fotodetectores e óptica quântica.

Disponibilidade de Dados e Materiais

Todos os autores declaram que os materiais, dados e protocolos associados estão disponíveis aos leitores, e todos os dados usados para a análise estão incluídos neste artigo.