Meningkatkan Efisiensi Konversi Energi dari Pamflet Berbasis Laser dengan Lapisan Penyerapan Nano Fabrikasi In-Situ
Abstrak
Tiga jenis pelat selebaran Al dengan lapisan serapan berstrukturnano yang berbeda disiapkan secara in situ oleh teknologi penulisan laser langsung untuk meningkatkan efisiensi konversi energi dalam rakitan selebaran yang digerakkan oleh laser. Mikrostruktur, penyerapan cahaya, dan kecepatan pamflet di ruang percepatan diselidiki. Reflektansi untuk pamflet pada panjang gelombang 1064-nm dapat dikurangi dari 81,3 menjadi 9,8% oleh lapisan serapan berstrukturnano. Kecepatan terminal selebaran Al setebal 50 m yang disinari oleh pulsa laser 60 mJ adalah 831 m/s, sedangkan kecepatan selebaran dengan lapisan serapan nano fabrikasi in situ mencapai hingga 1113 m/s pada kondisi yang sama. Hasilnya, efisiensi konversi energi flyer dengan lapisan serapan struktur nano dapat mencapai 1,99 kali lipat dari flyer Al. Oleh karena itu, lapisan penyerapan berstruktur nano yang disiapkan di permukaan selebaran menyediakan metode baru untuk secara signifikan meningkatkan efisiensi konversi energi dari selebaran yang digerakkan laser.
Pengantar
Laser-driven flyer (LDF) yang digunakan untuk meledakkan bahan peledak menawarkan pendekatan yang menjanjikan untuk kompresi kejut pulsa pendek yang terkontrol dengan baik dari bahan fase kental [1,2,3,4]. Dalam pengaturan LDF, foil logam tipis yang didukung oleh substrat jendela transparan sering diluncurkan oleh laser berdenyut nanodetik, lapisan foil logam bernama lapisan ablasi menghasilkan plasma bertekanan tinggi secara instan, dan plasma kemudian mendorong sisa-sisanya. dari foil logam untuk terbang dengan kecepatan beberapa kilometer per detik sebagai selebaran. Aluminium logam sangat ideal sebagai bahan pamflet karena keuletannya yang baik dan kepadatannya yang rendah. Namun, karena sebagian besar energi hilang karena pantulan tinggi dari aluminium murni selebaran, efisiensi konversi energi dari selebaran (didefinisikan sebagai rasio antara energi kinetik selebaran dan energi laser yang datang) sangat rendah, yang telah sangat membatasi aplikasi praktis LDF [5, 6].
Banyak pekerjaan telah dilakukan dengan tujuan untuk meningkatkan efisiensi konversi energi LDF. Mengingat efisiensi konversi energi dapat ditingkatkan dengan memperkenalkan lapisan dengan penyerapan yang lebih kuat pada panjang gelombang laser yang datang karena penurunan refleksi [7], banyak bahan dengan reflektifitas yang lebih rendah dibandingkan dengan aluminium murni telah dipelajari sebagai lapisan penyerapan. Labaste dkk. [8] dan Brierley dkk. [9] meneliti beberapa bahan sebagai lapisan serapan untuk meningkatkan efisiensi konversi energi dan menemukan bahwa penambahan Ge, Ti, dan Zn dapat menurunkan refleksi dan sedikit meningkatkan kecepatan flyer. Satu lapisan cat hitam juga telah diaplikasikan sebagai lapisan penyerapan dari pamflet, tetapi kecepatannya tidak jelas meningkat. Karena bahan reflektif rendah ini tidak hanya berfungsi sebagai penyerapan tetapi juga lapisan ablasi, sedangkan efisiensi bahan interaksi tergantung pada sifat optik dan termodinamika bahan flyer [10], peningkatan kecepatan flyer terbatas.
Baru-baru ini, penggunaan nanomaterial plasmonik untuk meningkatkan penyerapan cahaya melalui eksitasi resonansi plasmon permukaan lokal (LSPR) telah menarik minat yang cukup besar di bidang sensor spektroskopi dan konversi energi matahari [11,12,13]. Struktur nano aluminium dapat digunakan sebagai sistem pemanenan cahaya karena mencakup rentang spektrum yang luas dari ultraviolet hingga cahaya tampak LSPR [14,15,16,17]. Zhang dkk. [18] menemukan bahwa peningkatan 40% dalam penyerapan dapat dicapai dengan mengintegrasikan partikel aluminium dengan menggunakan simulasi optik. Lee dkk. [19] melaporkan strategi desain untuk mencapai platform yang kuat untuk pemanenan cahaya yang ditingkatkan dengan plasmon menggunakan struktur nano cangkang inti aluminium, yang menghasilkan peningkatan luar biasa dalam konversi foto-ke-kimia. Fan dkk. [20] mendemonstrasikan strategi pemrosesan laser ultracepat untuk membuat struktur mikro-nano antirefleksi yang sangat efektif pada permukaan logam tebal, dan reflektansi rata-rata 4,1%, 2,4%, dan 3,2% dalam spektrum pita lebar dari ultraviolet hingga inframerah-dekat pada Cu, Ti, dan W, masing-masing, permukaan dicapai. Namun, sepengetahuan kami, tidak ada penelitian tentang penggunaan material berstruktur nano untuk meningkatkan penyerapan laser pada LDF.
Dalam karya ini, kami mengusulkan lapisan serapan aluminium berstruktur nano yang disiapkan di permukaan selebaran Al tipis untuk meningkatkan penyerapan laser dan efisiensi konversi energi. Teknologi penulisan laser femtosecond disebut sebagai penulisan laser langsung digunakan untuk membuat struktur nano karena presisi, kesederhanaan relatif, dan tingkat hasil yang tinggi [21,22,23]. Morfologi dan komposisi permukaan struktur nano yang disiapkan di tempat dikarakterisasi dan penyerapan cahayanya diuji. Untuk mengevaluasi efisiensi konversi energi selebaran dengan lapisan penyerapan berstruktur nano, selebaran diluncurkan menggunakan laser berdenyut tunggal dan kecepatannya diperoleh dengan velocimetry Doppler fotonik (PDV). Selanjutnya, energi kinetik dan efisiensi konversi energi dari pamflet dihitung dan didiskusikan.
Metode Eksperimental
Persiapan Sampel
Al foil dengan ukuran 60 mm × 60 mm × 50 μm (lebar, panjang, dan tinggi) digunakan sebagai selebaran referensi. Foil ini pertama kali dipoles secara elektro-kimia untuk mencapai kekasaran rata-rata permukaan yang rendah. Lapisan serapan berstruktur nano kemudian disiapkan di permukaan Al foil dengan laser tulisan langsung di bawah atmosfer udara. Penulisan laser langsung menggunakan laser femtosecond terpolarisasi (FX200-3-GFH, EdgeWave, Germany) dengan panjang gelombang 1030 nm, durasi pulsa 600 fs, dan kecepatan pengulangan 200 kHz. Daya laser keluaran bervariasi dari 0 hingga 100 W. Gambar 1 mengilustrasikan proses persiapan penulisan laser langsung untuk membuat sampel. Struktur nano pada permukaan Al foil dikendalikan dengan mengubah daya laser radiasi dan kecepatan serta periode pemindaian. Tiga sampel dengan lapisan serapan berstrukturnano yang berbeda (sampel A, B, dan C) disiapkan. Sampel A disinari dengan pulsa laser 22,60-W dengan kecepatan pemindaian 1000 mm/s dalam y arah dan periode pemindaian 25 m. Sampel B disinari oleh pulsa laser 13,82-W dengan kecepatan pemindaian 5000 mm/dtk di kedua x dan y arah dan periode pemindaian 1 m. Sampel C disinari oleh pulsa laser 22,60-W dengan kecepatan pemindaian 8000 mm/dtk di kedua x dan y arah dan periode pemindaian 100 nm.
Skema metode preparasi sampel
Metode Karakterisasi
Morfologi permukaan sampel dicirikan dengan pemindaian mikroskop elektron (SEM, Ultra 55, Zeiss, Jerman) yang dikombinasikan dengan analisis sinar-X dispersi energi (EDX, Oxford, Inggris). Pengukuran reflektifitas tergantung panjang gelombang optik dalam panjang gelombang dari 500 hingga 1500 nm untuk sampel dilakukan dengan spektrofotometer UV-VIS-NIR (SolidSpec-3700, Shimadzu, Jepang) yang digabungkan dengan bola terintegrasi.
Gambar 2 mengilustrasikan pengaturan eksperimental yang digunakan untuk meluncurkan flyer dan mengkarakterisasi kecepatan flyer karena kecepatan adalah salah satu faktor kunci untuk memperkirakan kinerja flyer. Laser Q-switched Nd:YAG (Innolas SpitLight 400, panjang gelombang 1064-nm, panjang pulsa 14-ns) digunakan untuk mengikis dan meluncurkan sampel yang disiapkan, dan sistem PDV diterapkan untuk mengukur kecepatan pamflet sampel. Distribusi energi spasial sinar laser dihomogenisasi oleh optik difusi, karena sinar terfokus itu sendiri sangat tidak seragam. Bintik laser memiliki diameter 0,5 mm. Dalam percobaan velocimetry, sampel dipotong kecil-kecil dan ditempelkan ke jendela safir dengan lapisan berstrukturnano menempel di jendela. Ruang percepatan baja dengan ketebalan 0,2 mm dan diameter dalam 0,6 mm digunakan. Pulsa laser tunggal enam puluh milijoule ditembakkan pada sampel untuk menghasilkan selebaran yang terbang cepat di ruang akselerasi. Serat optik yang terhubung dengan sistem PDV ditempatkan di pintu keluar ruang akselerasi untuk merekam kecepatan pamflet.
Skema sistem peluncuran flyer dan sistem perekaman kecepatan flyer (PDV)
Hasil dan Diskusi
Mikrostruktur Lapisan Penyerapan
Gambar 3a–f menunjukkan struktur mikro lapisan serapan berstrukturnano sampel A, B, dan C. Karena sampel A disinari oleh laser ultracepat dalam satu arah dengan kecepatan pemindaian vx =0 dan vy =1000 mm/s, permukaan sampel A menunjukkan struktur semi-periodik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a. Sebuah struktur nano-spherical diamati untuk sampel A pada Gambar. 3d. Nano-sphere dengan diameter sekitar 50-200 nm ditutupi dengan nano-spheres yang lebih kecil yang diameternya kurang dari 10 nm. Sampel B dan C disinari di kedua arah dan kecepatan pemindaiannya jauh lebih tinggi daripada sampel A; tidak ada struktur periodik yang terlihat pada permukaannya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3b dan c. Adapun sampel B, banyak partikel dalam skala mikrometer yang diamati pada permukaannya (Gbr. 3b), dan partikel terdiri dari struktur nano kembang kol (Gbr. 3e). Karena sampel C diiradiasi dan dipindai dengan kecepatan yang lebih tinggi dibandingkan sampel A dan B, akumulasi nanopartikel jauh lebih cepat dan efek panas lebih menonjol. Akibatnya, agregasi nanosheet dan nanopartikel lebih tebal diamati pada Gambar. 3c dan f. Dan beberapa retakan terjadi di permukaan karena tegangan yang relatif tinggi muncul selama proses pendinginan karena masukan panas yang menonjol.
a Gambar SEM dengan perbesaran × 1000 untuk sampel A. b Gambar SEM dengan × 1000 diperbesar untuk sampel B. c Gambar SEM dengan perbesaran × 1000 untuk sampel C. d Gambar SEM dengan perbesaran × 4000 untuk sampel A. e Gambar SEM dengan perbesaran × 4000 untuk sampel B. f Gambar SEM dengan perbesaran × 4000 untuk sampel C. g EDX untuk sampel A. h EDX untuk sampel B. i EDX untuk contoh C
Gambar 3g–i adalah hasil analisis sinar-X energi dispersif (EDX) untuk sampel A, B, dan C, masing-masing. EDX menunjukkan adanya Al2 O3 oksida dalam komposisi struktur nano. Oksida terbentuk karena oksidasi aluminium selama proses penulisan laser. Kandungan oksigen sampel A, B, dan C berturut-turut adalah 2.2, 8.4, dan 22,9 atom%. Ternyata, sampel B dan C memiliki kandungan oksigen yang jauh lebih tinggi dibandingkan sampel A, sedangkan daya laser iradiasi untuk sampel B (13,82 W) lebih rendah daripada sampel A (22,60 W) dan daya laser iradiasi untuk sampel A dan C adalah identik, menunjukkan bahwa kecepatan pemindaian dan periode pemindaian secara signifikan mempengaruhi pembentukan dan pembuangan panas selama penulisan laser langsung. Dan oksidasi meningkat dengan meningkatnya kecepatan pemindaian dan penurunan periode pemindaian.
Penyerapan Cahaya pada Sampel
Gambar 4a menunjukkan penampakan mikroskop optik Al foil dan selebaran dengan lapisan serapan berstrukturnano. Warna Al foil putih keperakan. Dengan penambahan lapisan serapan berstruktur nano, sampel A, B, dan C menunjukkan warna abu-abu, hitam, dan hitam pekat, yang menunjukkan bahwa lebih banyak cahaya yang dapat diserap dengan lapisan serapan. Reflektansi Al foil dan sampel A, B, dan C diuji dengan spektrofotometer, dan pengukuran diulang dua kali untuk setiap sampel. Gambar 4b menunjukkan spektrum reflektansi Al foil dan aluminium flyer dengan lapisan serapan struktur nano. Karena ketebalan transmisi cahaya inframerah melalui logam sering bervariasi dari beberapa puluh nanometer hingga beberapa ratus nanometer [24], dengan demikian, tidak ada cahaya yang ditransmisikan melalui sampel Al foil yang ketebalannya 50 μm. Dan cahaya yang dihamburkan termasuk dalam cahaya yang dipantulkan dalam pengukuran menggunakan bola integral. Akibatnya, penyerapan dapat dihitung dengan 1-R (reflektansi). Perbedaan terlihat jelas antara Al foil dan aluminium flyer dengan lapisan serapan berstrukturnano. Reflektansi Al foil adalah 81,3% pada panjang gelombang laser 1064 nm, menunjukkan bahwa 81,3% cahaya datang dipantulkan. Reflektansi 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 ditingkatkan secara efektif dengan lapisan penyerapan struktur nano yang disiapkan dengan penulisan laser langsung. Sampel C memiliki serapan terkuat (90,2%) pada 1064 nm dibandingkan dengan sampel A dan B. Selain efek struktur nano, kami percaya bahwa aluminium oksida yang disajikan dalam struktur nano juga sangat mempengaruhi penyerapan cahaya selebaran. Umumnya, Al2 O3 transparan dan tidak menyerap cahaya; namun, dalam proses penulisan laser langsung, sangat mungkin untuk menghasilkan Al2 O3 dan partikel aluminium untuk membentuk struktur logam-dielektrik-logam. Struktur berperilaku sebagai rongga F-P yang pada gilirannya akan meningkatkan resonansi plasmon permukaan dan meningkatkan penyerapan cahaya [25]. Karena konsentrasi oksigen sampel A dan B jauh lebih kecil daripada sampel C, berimplikasi bahwa Al2 O3 partikel lebih kaya dalam sampel C daripada sampel lain, akibatnya, efek resonansi plasmon permukaan yang lebih ditingkatkan dan penyerapan yang jauh lebih kuat dapat dicapai.
a Penampakan mikroskop optik Al foil dan sampel A, B, dan C. b Spektrum reflektansi Al foil dan sampel A, B, dan C
Kecepatan Flyer
Gambar 5 menunjukkan kecepatan flyer Al foil dan sampel A, B, dan C. Pada awal 30 ns, kecepatan flyer meningkat tajam. Setelah itu, kecepatan pamflet meningkat secara bertahap mulai dari 30 hingga 200 ns, dan hampir tidak berubah ketika waktunya melebihi 200 ns. Kecepatan terminal flyer untuk sampel A, B, dan C masing-masing adalah 1083 m/s, 1173 m/s, dan 1110 m/s, yaitu sekitar 1,30, 1,41, dan 1,33 kali lebih tinggi dari pada Al foil (831 MS). Hasil ini menegaskan bahwa penambahan lapisan berstruktur nano in situ tidak hanya dapat meningkatkan penyerapan cahaya tetapi juga meningkatkan kecepatan pamflet. Perlu disebutkan bahwa kecepatan pamflet untuk sampel B lebih tinggi dari sampel C sedangkan sampel C memiliki daya serap cahaya yang paling kuat. Alasannya adalah sampel C memiliki Al2 . yang jauh lebih kaya O3 dibandingkan dengan sampel B. Ikatan ion dan ikatan logam terbentuk pada Al2 O3 dan Al masing-masing. Dan diketahui bahwa ikatan ion jauh lebih kuat dari ikatan logam, yang membuat titik penguapan dan titik leleh untuk Al2 O3 lebih tinggi dari Al Titik leleh dan titik penguapan Al2 O3 adalah 2054 °C dan 2980 °C, sedangkan titik lebur dan titik penguapan Al masing-masing adalah 660 °C dan 2519 °C. Selain itu, konduktivitas termalnya adalah 29,3 W/m K dan 237 W/m K untuk Al2 O3 dan Al. Oleh karena itu, lebih sulit untuk Al2 O3 untuk menguapkan dan membentuk plasma pada laser yang berdenyut karena titik lelehnya yang tinggi dan konduktivitas termal yang rendah dibandingkan dengan aluminium murni [26]. Oleh karena itu, meskipun penyerapan cahaya ditingkatkan oleh Al2 O3 dalam sampel C, sementara itu, Al2 O3 menghabiskan sebagian energi laser insiden sementara itu tidak membantu dalam mengarahkan pamflet.
a Kecepatan pamflet Al foil dan sampel A, B, dan C dalam ruang percepatan diperoleh dengan menggunakan PDV. b Kecepatan pamflet terminal Al foil dan sampel A, B, dan C
Energi kinetik selebaran dapat diperoleh dengan hubungan berikut:
dimana mf adalah massa selebaran asli, dan ma mewakili massa selebaran yang terablasi. Selain itu, kami menganggap selebaran tetap dalam keadaan terintegrasi selama proses terbang. Massa selebaran ablasi dapat dievaluasi menurut model Lawrence dan Trott [27].
dimana r adalah radius pamflet, μeff adalah indeks penyerapan efektif, I0 adalah intensitas laser insiden, k adalah indeks kehilangan energi, dan εd adalah energi penguapan.
Efisiensi konversi energi pamflet dapat dinotasikan dengan menggunakan persamaan berikut:
dimana ξ menunjukkan efisiensi konversi energi selebaran, Ef mewakili energi kinetik dari pamflet, dan El mewakili energi laser yang datang.
Hasil perhitungan efisiensi energi kinetik dan konversi energi flyer diilustrasikan pada Gambar 6. Efisiensi konversi energi sampel A, B, dan C berturut-turut adalah 36,8%, 43,2%, dan 38,6%, yaitu 1,70, 1,99, dan 1,78 kali lipat dari Al foil (21,7%). Dalam karya ini, ketika lapisan penyerapan berstrukturnano ditambahkan pada Al foil, efisiensi konversi energi tertinggi hampir dua kali lipat. Hasil eksperimen dirangkum dalam Tabel 1. Oleh karena itu, fabrikasi in situ dari lapisan serapan berstruktur nano pada permukaan selebaran menyediakan metode baru untuk secara signifikan meningkatkan efisiensi konversi energi LDF.
Energi kinetik yang dihitung dan efisiensi konversi energi dari Al foil dan sampel A, B, dan C
Kesimpulan
Lapisan serapan berstrukturnano berhasil disiapkan secara in situ pada permukaan foil Al tipis dengan teknologi penulisan laser langsung. Lebih lanjut, kami menunjukkan bahwa melalui pengontrolan injeksi pulsa laser, fitur struktural skala mikro dan skala nano dapat diwujudkan. Akibatnya, penurunan substansial dalam reflektifitas cahaya dan peningkatan yang signifikan dalam penyerapan cahaya dapat direalisasikan. Dengan menyiapkan lapisan serapan nano di permukaan Al foil, penyerapan cahaya dapat ditingkatkan dari 18,7 menjadi 90,2%. Peningkatan penyerapan cahaya pada gilirannya akan menghasilkan peningkatan yang nyata dalam kecepatan dan energi kinetik dari pamflet yang digerakkan laser. Konversi energi flyer dengan lapisan serapan berstruktur nano dapat ditingkatkan secara signifikan dibandingkan dengan Al foil, konversi energi maksimal pada penelitian ini mencapai 43,2% yaitu 1,99 kali lipat dari Al foil (21,7%). Oleh karena itu, lapisan penyerapan struktur nano aluminium in situ yang disiapkan pada permukaan selebaran menyediakan metode baru untuk meningkatkan penyerapan energi laser dan meningkatkan efisiensi konversi energi LDF. Selain itu, teknologi preparasi in situ yang ada dalam karya ini juga menjanjikan di bidang fotokimia, penginderaan, fotodetektor, dan optik kuantum.
Ketersediaan Data dan Materi
Semua penulis menyatakan bahwa materi, data, dan protokol terkait tersedia untuk pembaca, dan semua data yang digunakan untuk analisis disertakan dalam artikel ini.
