Meningkatkan Efisiensi Flyer Terpacu Laser dengan Lapisan Penyerap Nano In-Situ

Abstrak

Tiga jenis plat flyer Al dengan lapisan penyerap nano yang berbeda secara in situ diproduksi dengan teknologi penulisan laser langsung untuk meningkatkan efisiensi konversi energi dalam rangkaian flyer terpacu laser. Mikrostruktur, penyerapan cahaya, dan kecepatan flyer dalam ruang percepatan diteliti. Reflectansi flyer pada panjang gelombang 1064 nm dapat dikurangi dari 81,3 hingga 9,8% dengan lapisan penyerap nano. Kecepatan terminal flyer Al dengan tebal 50 μm yang ditembakkan oleh pulsa laser 60 mJ adalah 831 m/s, sedangkan kecepatan flyer dengan lapisan penyerap nano yang diproduksi in situ mencapai hingga 1113 m/s pada kondisi yang sama. Akibatnya, efisiensi konversi energi flyer dengan lapisan penyerap nano dapat mencapai hingga 1,99 kali flyer Al. Oleh karena itu, lapisan penyerap nano yang diproduksi in situ pada permukaan flyer menyediakan metode baru untuk secara signifikan meningkatkan efisiensi konversi energi flyer terpacu laser.

Pendahuluan

Flyer terpacu laser (LDF) yang digunakan untuk memedam peledak menawarkan pendekatan yang menjanjikan untuk kompresi skock terkontrol, pulsa pendek dari materi fase padat [1,2,3,4]. Dalam pengaturan LDF, foil logam tipis yang didukung oleh substrat kaca transparan seringkali diluncurkan oleh pulsa laser nanodetik, lapisan foil logam bernama lapisan ablasi diablasi menghasilkan plasma bertekanan tinggi segera, dan plasma kemudian menggerakkan sisa foil logam untuk terbang dengan kecepatan beberapa kilometer per detik sebagai flyer. Aluminium logam ideal sebagai bahan flyer karena tenacitas baik dan densitas rendah. Namun, karena sebagian besar energi hilang karena reflectansi tinggi flyer aluminium murni, efisiensi konversi energi flyer (didefinisikan sebagai rasio antara energi kinetik flyer dan energi laser insiden) sangat rendah, yang telah sangat membatasi aplikasi praktis LDF [5, 6].

Banyak karya telah dilakukan untuk tujuan meningkatkan efisiensi konversi energi LDF. Mempertimbangkan bahwa efisiensi konversi energi dapat ditingkatkan dengan memperkenalkan lapisan dengan penyerapan yang lebih kuat pada panjang gelombang laser insiden karena reflectansi yang berkurang [7], banyak bahan dengan reflectansi lebih rendah dibandingkan aluminium murni telah diteliti sebagai lapisan penyerap. Labaste et al. [8] dan Brierley et al. [9] meneliti beberapa bahan sebagai lapisan penyerap untuk meningkatkan efisiensi konversi energi dan menemukan bahwa penambahan Ge, Ti, dan Zn dapat mengurangi reflectansi dan sedikit meningkatkan kecepatan flyer. Lapisan cat hitam tunggal juga telah diterapkan sebagai lapisan penyerap flyer, tetapi kecepatan tidak jelas meningkat. Karena bahan dengan reflectansi rendah ini tidak hanya berfungsi sebagai lapisan penyerap tetapi juga lapisan ablasi, sementara efisiensi material interaksi bergantung pada properti optik dan termodinamik bahan flyer [10], peningkatan kecepatan flyer terbatas.

Akhir-akhir ini, penggunaan material nano plasmonik untuk meningkatkan penyerapan cahaya melalui eksitasi resonansi plasmon permukaan lokal (LSPR) telah menarik minat yang besar di bidang sensor spektroskopi dan konversi energi surya [11,12,13]. Nanostruktur aluminium dapat digunakan sebagai sistem penangkap cahaya karena mencakup rentang spektrum yang luas dari ultraviolet hingga cahaya terlihat LSPR [14,15,16,17]. Zhang et al. [18] menemukan bahwa peningkatan 40% dalam penyerapan dapat dicapai dengan mengintegrasikan partikel aluminium dengan simulasi optik. Lee et al. [19] melaporkan strategi desain untuk mencapai platform yang kuat untuk penangkap cahaya yang ditingkatkan plasmonik dengan nanostruktur core-shell aluminium, yang menghasilkan peningkatan yang luar biasa dalam konversi foto-ke-kimia. Fan et al. [20] mendemonstrasikan strategi pemrosesan laser ultrafast untuk memproduksi struktur mikro-nano anti-refleksi yang sangat efektif pada permukaan logam tebal, dan reflectansi rata-rata sebesar 4,1%, 2,4%, dan 3,2% dalam spektrum lebar dari ultraviolet hingga inframerah dekat pada permukaan Cu, Ti, dan W, masing-masing, dicapai. Namun, sepengetahuan kami, tidak ada penelitian tentang penggunaan material nanostruktur untuk meningkatkan penyerapan laser dalam LDF.

Dalam karya ini, kami mengusulkan lapisan penyerap aluminium nanostruktur yang diproduksi in situ pada permukaan flyer Al tipis untuk meningkatkan penyerapan laser dan efisiensi konversi energi. Teknologi penulisan laser langsung bernama direct laser writing digunakan untuk memproduksi nanostruktur karena presisi, keterjangkauan relatif, dan tingkat hasil yang tinggi [21,22,23]. Morfologi dan komposisi permukaan nanostruktur yang diproduksi in situ dikarakterisasi dan penyerapan cahaya mereka diuji. Untuk mengevaluasi efisiensi konversi energi flyer dengan lapisan penyerap nanostruktur, flyer diluncurkan menggunakan laser pulsa tunggal dan kecepatan mereka diperoleh dengan velocimetri Doppler fotonik (PDV). Selanjutnya, energi kinetik dan efisiensi konversi energi flyer dihitung dan dibahas.

Metode Eksperimental

Persiapan Sampel

Foil Al dengan ukuran 60 mm × 60 mm × 50 μm (lebar, panjang, dan tinggi) digunakan sebagai flyer referensi. Foil ini pertama kali di-polis elektrokimia untuk mencapai rata-rata kekasaran permukaan yang rendah. Lapisan penyerap nanostruktur kemudian diproduksi in situ pada permukaan foil Al dengan penulisan laser langsung di bawah atmosfer udara. Penulisan laser langsung menggunakan laser femtosekon berpolarisasi (FX200-3-GFH, EdgeWave, Jerman) dengan panjang gelombang 1030 nm, durasi pulsa 600 fs, dan frekuensi repetisi 200 kHz. Daya laser output bervariasi dari 0 hingga 100 W. Gambar 1 menggambarkan proses persiapan penulisan laser langsung untuk memproduksi sampel. Nanostruktur pada permukaan foil Al dikontrol dengan mengubah daya radiasi laser dan kecepatan serta periode pemindaian. Tiga sampel dengan lapisan penyerap nanostruktur yang berbeda (sampel A, B, dan C) diproduksi. Sampel A ditembakkan dengan pulsa laser 22,60-W dengan kecepatan pemindaian 1000 mm/s dalam arah y dan periode pemindaian 25 μm. Sampel B ditembakkan dengan pulsa laser 13,82-W dengan kecepatan pemindaian 5000 mm/s dalam arah x dan y serta periode pemindaian 1 μm. Sampel C ditembakkan dengan pulsa laser 22,60-W dengan kecepatan pemindaian 8000 mm/s dalam arah x dan y serta periode pemindaian 100 nm.

Metode Karakterisasi

Morfologi permukaan sampel dikarakterisasi dengan mikroskopi elektron pemindaian (SEM, Ultra 55, Zeiss, Jerman) yang digabungkan dengan analisis X-ray dispersif energi (EDX, Oxford, Inggris). Pengukuran reflectansi bergantung panjang gelombang optik dalam rentang panjang gelombang dari 500 hingga 1500 nm untuk sampel dilakukan dengan spektrofotometer UV-VIS-NIR (SolidSpec-3700, Shimadzu, Jepang) yang dilengkapi dengan bola integrasi.

Gambar 2 mengilustrasikan pengaturan eksperimental yang digunakan untuk meluncurkan flyer dan mengkarakterisasi kecepatan flyer karena kecepatan adalah salah satu faktor kunci untuk memperkirakan performa flyer. Laser Q-switched Nd:YAG (Innolas SpitLight 400, panjang gelombang 1064 nm, panjang pulsa 14 ns) digunakan untuk ablasi dan meluncurkan sampel yang dipersiapkan, dan sistem PDV diterapkan untuk mengukur kecepatan flyer sampel. Distribusi energi spasial sinar laser homogenkan dengan optik difusif, karena sinar laser yang difokuskan sendiri sangat tidak seragam. Titik laser memiliki diameter 0,5 mm. Dalam eksperimen velocimetri, sampel dipotong menjadi potongan kecil dan ditempel pada jendela safir dengan lapisan nanostruktur menempel pada jendela. Ruang percepatan baja dengan tebal 0,2 mm dan diameter dalam 0,6 mm digunakan. Pulsa laser tunggal enam puluhan milijoule ditembakkan pada sampel untuk menghasilkan flyer terbang cepat dalam ruang percepatan. Serat optik yang terhubung dengan sistem PDV ditempatkan di keluar ruang percepatan untuk mencatat kecepatan flyer.

Hasil dan Pembahasan

Mikrostruktur Lapisan Penyerap

Gambar 3a–f menunjukkan mikrostruktur lapisan penyerap nanostruktur sampel A, B, dan C. Karena sampel A ditembakkan oleh laser ultrafast dalam satu arah dengan kecepatan pemindaian v_x = 0 dan v_y = 1000 mm/s, permukaan sampel A menunjukkan struktur semi-periodik, seperti ditunjukkan pada Gambar 3a. Struktur bola nano diamati untuk sampel A pada Gambar 3d. Bola nano dengan diameter sekitar 50–200 nm ditutupi oleh bola nano yang lebih kecil dengan diameter kurang dari 10 nm. Sampel B dan C ditembakkan dalam kedua arah dan kecepatan pemindaian mereka jauh lebih tinggi dari sampel A; tidak ada struktur periodik yang jelas diamati pada permukaannya, seperti ditunjukkan pada Gambar 3b dan c. Seperti yang dilakukan untuk sampel B, banyak partikel dalam skala mikrometer diamati pada permukaannya (Gambar 3b), dan partikel terdiri dari nanostruktur kolflower (Gambar 3e). Karena sampel C ditembakkan dan dipindai dengan kecepatan yang bahkan lebih tinggi dibandingkan sampel A dan B, akumulasi partikel nano jauh lebih cepat dan efek panas lebih prominent. Akibatnya, agregasi nanosheet dan partikel nano yang jauh lebih tebal diamati pada Gambar 3c dan f. Dan banyak retakan terjadi pada permukaan karena stres relatif tinggi muncul selama proses pendingin karena input panas yang prominent.

Gambar 3g–i adalah hasil analisis X-ray dispersif energi (EDX) untuk sampel A, B, dan C, masing-masing. EDX menunjukkan kehadiran oksida Al₂O₃ dalam komposisi nanostruktur. Oksida terbentuk karena oksidasi aluminium selama proses penulisan laser. Konten oksigen sampel A, B, dan C adalah 2,2, 8,4, dan 22,9 atom%, masing-masing. Jelas, sampel B dan C memiliki konten oksigen yang jauh lebih tinggi dibandingkan sampel A, sementara daya laser iradiasi untuk sampel B (13,82 W) lebih rendah dari pada sampel A (22,60 W) dan daya laser iradiasi untuk sampel A dan C identik, yang menunjukkan bahwa kecepatan pemindaian dan periode pemindaian secara signifikan mempengaruhi generasi dan disipasi panas selama penulisan laser langsung. Dan oksidasi meningkat seiring meningkatnya kecepatan pemindaian dan berkurangnya periode pemindaian.

Penyerapan Cahaya Sampel

Gambar 4a menunjukkan penampilan mikroskop optik foil Al dan flyer dengan lapisan penyerap nanostruktur. Warna foil Al adalah putih perak. Dengan penambahan lapisan penyerap nanostruktur, sampel A, B, dan C menunjukkan warna abu-abu, hitam, dan hitam pekat, yang menunjukkan lebih banyak cahaya dapat diserap dengan lapisan penyerap. Reflectansi foil Al dan sampel A, B, dan C diuji dengan spektrofotometer, dan pengukuran diulang dua kali untuk setiap sampel. Gambar 4b menunjukkan spektrum reflectansi foil Al dan flyer aluminium dengan lapisan penyerap nanostruktur. Karena tebal transmisi cahaya inframerah melalui logam seringkali bervariasi dari beberapa puluhan nanometer hingga beberapa ratus nanometer [24], oleh karena itu, tidak ada cahaya yang ditransmisikan melalui sampel foil Al yang tebalnya 50 μm. Dan cahaya terpencar disertakan dalam cahaya yang terpantulkan dalam pengukuran menggunakan bola integrasi. Oleh karena itu, penyerapan dapat dihitung dengan 1-R (reflectansi). Perbedaan jelas antara foil Al dan flyer aluminium dengan lapisan penyerap nanostruktur. Reflectansi foil Al adalah 81,3% pada panjang gelombang laser 1064 nm, yang menunjukkan bahwa 81,3% cahaya insiden dipantulkan. Reflectansi rata-rata dapat dikurangi menjadi 50,5%, 31,5%, dan 9,8% untuk sampel A, B, dan C, masing-masing. Oleh karena itu, penyerapan cahaya dapat secara efektif ditingkatkan dengan lapisan penyerap nanostruktur yang diproduksi dengan penulisan laser langsung. Sampel C memiliki penyerapan terkuat (90,2%) pada 1064 nm dibandingkan sampel A dan B. Selain efek nanostruktur, kami percaya bahwa oksida aluminium yang terdapat dalam nanostruktur juga sangat mempengaruhi penyerapan cahaya flyer. Secara umum, Al₂O₃ transparan dan tidak menyerap cahaya; namun, dalam proses penulisan laser langsung, sangat mungkin bahwa Al₂O₃ dan partikel aluminium yang dihasilkan membentuk struktur logam-dielektrik-logam. Struktur ini bertindak sebagai rongga F-P yang sebaliknya akan meningkatkan resonansi plasmon permukaan dan meningkatkan penyerapan cahaya [25]. Karena konsentrasi oksigen sampel A dan B jauh lebih rendah dari pada sampel C, yang mengimplicasikan bahwa partikel Al₂O₃ lebih kaya dalam sampel C dibandingkan sampel lainnya, akibatnya, efek resonansi plasmon permukaan yang lebih ditingkatkan dan penyerapan jauh lebih kuat dapat dicapai.

Kecepatan Flyer

Gambar 5 menunjukkan kecepatan flyer foil Al dan sampel A, B, dan C. Pada awal 30 ns, kecepatan flyer meningkat secara tajam. Kemudian, kecepatan flyer secara bertahap meningkat mulai dari 30 hingga 200 ns, dan hampir tidak berubah ketika waktu melebihi 200 ns. Kecepatan terminal flyer untuk sampel A, B, dan C adalah 1083 m/s, 1173 m/s, dan 1110 m/s, masing-masing, yang sekitar 1,30, 1,41, dan 1,33 kali lebih tinggi dari pada foil Al (831 m/s). Hasil ini mengonfirmasi bahwa penambahan lapisan nanostruktur in situ tidak hanya dapat meningkatkan penyerapan cahaya tetapi juga mempromosikan kecepatan flyer. Perlu disebutkan bahwa kecepatan flyer untuk sampel B lebih tinggi dari pada sampel C sementara sampel C memiliki penyerapan cahaya terkuat. Alasannya adalah sampel C memiliki konten Al₂O₃ yang jauh lebih kaya dibandingkan sampel B. Ikatan ionik dan ikatan logam terbentuk dalam Al₂O₃ dan Al, masing-masing. Dan diketahui bahwa ikatan ionik jauh lebih kuat dari ikatan logam, yang membuat titik leleh dan titik uap Al₂O₃ lebih tinggi dari Al. Titik leleh dan titik uap Al₂O₃ adalah 2054 °C dan 2980 °C, sedangkan titik leleh dan titik uap Al adalah 660 °C dan 2519 °C, masing-masing. Selain itu, konduktivitas termal adalah 29,3 W/m K dan 237 W/m K untuk Al₂O₃ dan Al. Oleh karena itu, lebih sulit bagi Al₂O₃ untuk menguap dan membentuk plasma pada pulsa laser insiden karena titik leleh yang tinggi dan konduktivitas termal yang rendah dibandingkan aluminium murni [26]. Oleh karena itu, meskipun penyerapan cahaya ditingkatkan oleh Al₂O₃ dalam sampel C, dalam waktu yang sama, Al₂O₃ mengkonsumsi sebagian energi laser insiden sementara tidak membantu dalam mendorong flyer.

Energi kinetik flyer dapat diperoleh dengan hubungan berikut:

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

di mana m_f adalah massa flyer asli, dan m_a mewakili massa flyer yang diablasi. Selain itu, kami mengasumsikan flyer tetap dalam keadaan terintegrasi selama proses terbang. Massa flyer yang diablasi dapat dievaluasi berdasarkan model Lawrence dan 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)

di mana r adalah jari-jari flyer, μ_eff adalah indeks penyerapan efektif, I₀ adalah intensitas laser insiden, k adalah indeks kehilangan energi, dan ε_d adalah energi uap.

Efisiensi konversi energi flyer dapat dinyatakan dengan persamaan berikut:

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

di mana ξ menandakan efisiensi konversi energi flyer, E_f mewakili energi kinetik flyer, dan E_l mewakili energi laser insiden.

Hasil perhitungan energi kinetik dan efisiensi konversi energi flyer diilustrasikan pada Gambar 6. Efisiensi konversi energi untuk sampel A, B, dan C adalah 36,8%, 43,2%, dan 38,6%, masing-masing, yang 1,70, 1,99, dan 1,78 kali foil Al (21,7%). Dalam karya ini, ketika lapisan penyerap nanostruktur ditambahkan pada foil Al, efisiensi konversi energi tertinggi hampir doubled. Hasil eksperimen diringkas dalam Tabel 1. Oleh karena itu, pembuatan in situ lapisan penyerap nanostruktur pada permukaan flyer menyediakan metode baru untuk secara signifikan meningkatkan efisiensi konversi energi LDF.

Kesimpulan

Lapisan penyerap nanostruktur berhasil diproduksi in situ pada permukaan foil Al tipis dengan teknologi penulisan laser langsung. Selain itu, kami telah menunjukkan bahwa dengan mengontrol injeksi pulsa laser, baik fitur struktural mikrostabil maupun nanostabil dapat dicapai. Akibatnya, penurunan yang signifikan dalam reflectansi cahaya dan peningkatan yang besar dalam penyerapan cahaya dapat dicapai. Dengan memproduksi lapisan penyerap nano in situ pada permukaan foil Al, penyerapan cahaya dapat ditingkatkan dari 18,7 hingga 90,2%. Peningkatan penyerapan cahaya akan sebaliknya mengakibatkan peningkatan yang jelas dalam kecepatan dan energi kinetik flyer terpacu laser. Konversi energi flyer dengan lapisan penyerap nanostruktur dapat ditingkatkan secara signifikan dibandingkan foil Al, energi konversi maksimal dalam studi ini mencapai hingga 43,2% yang 1,99 kali foil Al (21,7%). Oleh karena itu, lapisan penyerap nanostruktur aluminium yang diproduksi in situ pada permukaan flyer menyediakan metode baru untuk meningkatkan penyerapan energi laser dan meningkatkan efisiensi konversi energi LDF. Selain itu, teknologi pembuatan in situ yang ada dalam karya ini juga menjanjikan di bidang fotokimia, sensor, detektor foto, dan optika kuantum.

Ketersediaan Data dan Bahan

Semua penulis menyatakan bahwa bahan, data, dan protokol terkait tersedia untuk pembaca, dan semua data yang digunakan untuk analisis termasuk dalam artikel ini.