その場で製造されたナノ吸収層によるレーザー駆動フライヤーのエネルギー変換効率の改善

はじめに

爆発物を爆発させるために使用されるレーザー駆動フライヤー（LDF）は、凝縮相物質の十分に制御された短パルス衝撃圧縮への有望なアプローチを提供します[1,2,3,4]。 LDFのセットアップでは、透明なウィンドウ基板で支えられた薄い金属箔がナノ秒パルスレーザーによって発射されることが多く、アブレーション層と呼ばれる金属箔の層がアブレーションされて高圧プラズマが瞬時に生成され、プラズマが残りを駆動します。フライヤーとして毎秒数キロメートルの速度で飛ぶ金属箔の。金属アルミニウムは、その優れた粘り強さと低密度のため、チラシの素材として理想的です。しかし、純アルミニウムフライヤーの反射率が高いためにエネルギーの大部分が失われるため、フライヤーのエネルギー変換効率（フライヤーの運動エネルギーと入射レーザーエネルギーの比率として定義）は非常に低く、非常に大きくなっています。 LDFの実際のアプリケーションを制限しました[5、6]。

LDFのエネルギー変換効率を向上させる目的で多くの作業が行われています。反射が減少するため、入射レーザー波長での吸収が強い層を導入することでエネルギー変換効率が向上する可能性があることを考慮して[7]、吸収層として純アルミニウムに比べて反射率が低い材料が数多く研究されています。 Labaste etal。 [8]およびBrierleyetal。 [9]は、エネルギー変換効率を改善するために吸収層としていくつかの材料を調査し、Ge、Ti、およびZnの添加により、反射が減少し、フライヤー速度がわずかに増加することを発見しました。フライヤーの吸収層として黒色塗料を1回塗りましたが、速度は明らかに改善されませんでした。これらの低反射材料は吸収だけでなくアブ​​レーション層としても機能しますが、相互作用材料の効率はフライヤー材料の光学的特性と熱力学的特性の両方に依存するため[10]、フライヤー速度の増加は制限されます。

最近、局在表面プラズモン共鳴（LSPR）の励起による光吸収を改善するためのプラズモンナノ材料の使用は、分光センサーおよび太陽エネルギー変換の分野でかなりの関心を集めています[11、12、13]。アルミニウムナノ構造は、LSPRの紫外線から可視光までの広いスペクトル範囲をカバーするため、集光システムとして使用できます[14、15、16、17]。張ら。 [18]は、光学シミュレーションを使用してアルミニウム粒子を統合することにより、吸収を40％向上させることができることを発見しました。 Lee etal。 [19]は、アルミニウムのコアシェルナノ構造を使用してプラズモン増強光収穫のための堅牢なプラットフォームを実現するための設計戦略を報告しました。これにより、光から化学への変換が著しく増加しました。ファンら[20]は、厚い金属表面に非常に効果的な反射防止マイクロナノ構造を製造するための超高速レーザー処理戦略を示し、紫外線から近赤外線までの広帯域スペクトルで平均反射率4.1％、2.4％、3.2％を示しました。それぞれ、Cu、Ti、およびWの表面が達成されました。しかし、私たちの知る限り、LDFのレーザー吸収を改善するためにナノ構造材料を使用することに関する研究はありません。

この作業では、レーザー吸収とエネルギー変換効率を向上させるために、薄いAlフライヤーの表面にその場で調製されたナノ構造のアルミニウム吸収層を提案します。直接レーザー書き込みと呼ばれるフェムト秒レーザー書き込み技術は、その精度、比較的単純さ、および高い歩留まりのためにナノ構造を製造するために利用されました[21、22、23]。その場で調製されたナノ構造の表面の形態および組成が特徴付けられ、それらの光吸収が試験された。ナノ構造の吸収層を備えたフライヤーのエネルギー変換効率を評価するために、フライヤーは単一パルスレーザーを使用して発射され、その速度はフォトニックドップラー速度測定（PDV）によって取得されました。さらに、フライヤーの運動エネルギーとエネルギー変換効率が計算され、議論されました。

実験方法

サンプル準備

60mm×60mm×50μm（幅、長さ、高さ）のサイズのAlフォイルをリファレンスフライヤーとして使用しました。これらのフォイルは、最初に電気化学的に研磨され、低い表面平均粗さを実現しました。次に、ナノ構造の吸収層を、空気雰囲気下で直接書き込みレーザーによってAl箔の表面にその場で調製した。直接レーザー書き込みでは、波長1030 nm、パルス幅600 fs、繰り返し率200 kHzの偏光フェムト秒レーザー（FX200-3-GFH、EdgeWave、ドイツ）を使用しました。出力レーザー出力は0から100Wまで変化しました。図1は、サンプルを製造するための直接レーザー書き込み準備プロセスを示しています。 Al箔の表面のナノ構造は、放射レーザー出力とスキャン速度および周期を変更することによって制御されました。異なるナノ構造の吸収層を持つ3つのサンプル（サンプルA、B、およびC）を準備しました。サンプルAは、 y でスキャン速度1000mm / sの22.60Wレーザーパルスで照射されました。 方向と25μmのスキャン周期。サンプルBは、両方の x で5000mm / sのスキャン速度で13.82Wのレーザーパルスで照射されました。 および y 方向と1μmのスキャン周期。サンプルCは、両方の x で8000mm / sのスキャン速度で22.60Wのレーザーパルスで照射されました。 および y 方向と100nmのスキャン周期。

サンプル準備方法の概略図

特性評価方法

サンプルの表面の形態は、エネルギー分散型X線分析（EDX、オックスフォード、英国）と組み合わせた走査型電子顕微鏡（SEM、Ultra 55、ツァイス、ドイツ）によって特徴づけられました。サンプルの500〜1500 nmの波長での光波長依存反射率測定は、積分球を組み込んだUV-VIS-NIR分光光度計（SolidSpec-3700、島津製作所、日本）を使用して実行されました。

図2は、フライヤーの性能を推定するための重要な要素の1つであるため、フライヤーを起動してフライヤーの速度を特徴づけるために使用される実験セットアップを示しています。 QスイッチNd：YAGレーザー（Innolas SpitLight 400、波長1064 nm、パルス長14 ns）を使用して、準備したサンプルをアブレーションして発射し、PDVシステムを適用してサンプルのフライヤー速度を測定しました。集束ビーム自体が非常に不均一であったため、レーザービームの空間エネルギー分布は拡散光学系によって均質化されました。レーザースポットの直径は0.5mmでした。速度測定実験では、サンプルを小片に切断し、ナノ構造層を窓に固定した状態でサファイア窓に接着しました。厚さ0.2mm、内径0.6mmの鋼製加速室を使用した。 60ミリジュールの単一レーザーパルスがサンプルに照射され、加速チャンバー内で高速飛行するフライヤーが生成されました。フライヤーの速度を記録するために、PDVシステムに接続された光ファイバーが加速チャンバーの出口に配置されました。

フライヤー発射システムとフライヤー速度記録システム（PDV）の概略図

結果と考察

吸収層の微細構造

図3a–fは、サンプルA、B、およびCのナノ構造吸収層の微細構造を示しています。サンプルAは、スキャン速度 v で一方向に超高速レーザーを照射したためです。 _x =0および v _y =1000 mm / s、サンプルAの表面は、図3aに示すように半周期的な構造を示します。図3dのサンプルAではナノ球形の構造が観察されました。直径が約50〜200 nmのナノ球は、直径が10nm未満の小さなナノ球で覆われていました。サンプルBとCは両方向に照射され、それらのスキャン速度はサンプルAよりもはるかに高速です。図3bおよびcに示すように、それらの表面には明らかな周期構造は観察されませんでした。サンプルBは、その表面にマイクロメートルスケールの粒子が多く観察され（図3b）、カリフラワーのナノ構造で構成されていました（図3e）。サンプルCはサンプルAおよびBと比較してさらに高速で照射およびスキャンされたため、ナノ粒子の蓄積ははるかに速く、熱の影響はより顕著でした。その結果、はるかに厚いナノシートとナノ粒子の凝集が図3cとfで観察されました。また、顕著な入熱により冷却プロセス中に比較的高い応力が発生したため、表面に複数の亀裂が発生しました。

a サンプルAの×1000を拡大したSEM画像。 b サンプルBの×1000を拡大したSEM画像。 c サンプルCの×1000を拡大したSEM画像。 d サンプルAの×4000を拡大したSEM画像。 e サンプルBの×4000を拡大したSEM画像。 f サンプルCの×4000を拡大したSEM画像。 g サンプルAのEDX。 h サンプルBのEDX。 i サンプルCのEDX

図3g–iは、それぞれサンプルA、B、およびCのエネルギー分散型X線分析（EDX）の結果です。 EDXはAl ₂ の存在を示しました O ₃ ナノ構造の組成における酸化物。酸化物は、レーザー書き込みプロセス中のアルミニウムの酸化により形成されました。サンプルA、B、およびCの酸素含有量はそれぞれ2.2、8.4、および22.9原子％でした。明らかに、サンプルBとCはサンプルAと比較してはるかに高い酸素含有量を持っていましたが、サンプルBの照射レーザー出力（13.82 W）はサンプルAの照射レーザー出力（22.60 W）よりも低く、サンプルAとCの照射レーザー出力は同一であり、スキャン速度とスキャン期間が直接レーザー書き込み中の発熱と放散に大きく影響することを示しています。そして、スキャン速度の増加とスキャン期間の減少に伴い、酸化が増加します。

サンプルの吸光度

図4aは、Al箔とナノ構造の吸収層を備えたフライヤーの光学顕微鏡の外観を示しています。アルミホイルの色は銀白色です。ナノ構造の吸収層を追加すると、サンプルA、B、およびCは灰色、黒色、および暗黒色を示し、吸収層でより多くの光を吸収できることを示します。 Al箔とサンプルA、B、Cの反射率を分光光度計でテストし、サンプルごとに2回測定を繰り返します。図4bは、Al箔とナノ構造吸収層を備えたアルミフライヤーの反射スペクトルを示しています。金属を透過する赤外光の厚さは、数十ナノメートルから数百ナノメートルまで変化することが多いため[24]、厚さが50μmのAl箔サンプルを透過する光はありませんでした。また、積分球を用いた測定では、散乱光を反射光に含めました。したがって、吸収率は1-R（反射率）で計算できます。 Al箔とナノ構造の吸収層を備えたアルミフライヤーの間に違いが明らかでした。 Al箔の反射率は1064nmのレーザー波長で81.3％であり、入射光の81.3％が反射されたことを示しています。平均反射率は、サンプルA、B、およびCでそれぞれ50.5％、31.5％、および9.8％に減らすことができます。したがって、光吸収は、直接レーザー書き込みによって調製されたナノ構造吸収層で効果的に強化することができます。サンプルCは、サンプルAおよびBと比較して1064 nmで最も強い吸収（90.2％）を示します。ナノ構造の影響は別として、ナノ構造に存在する酸化アルミニウムもフライヤーの光吸収に大きな影響を与えると考えられます。通常、Al ₂ O ₃ 透明で光を吸収しません。ただし、直接レーザー書き込みプロセスでは、生成されたAl ₂ の可能性が高くなります。 O ₃ 金属-誘電体-金属構造を形成するためのアルミニウム粒子。この構造はF-P空洞として機能し、表面プラズモン共鳴を増強し、光吸収を増加させます[25]。サンプルAとBの酸素濃度はサンプルCの酸素濃度よりはるかに低いため、Al ₂ O ₃ 粒子は他のサンプルよりもサンプルCが豊富であるため、表面プラズモン共鳴効果がさらに向上し、はるかに強力な吸収が得られます。

a Al箔とサンプルA、B、Cの光学顕微鏡の外観。 b Al箔とサンプルA、B、Cの反射スペクトル

チラシの速度

図5は、Al箔とサンプルA、B、Cのフライヤー速度を示しています。30nsの開始時に、フライヤー速度は急激に増加します。その後、フライヤーの速度は30から200 nsまで徐々に増加し、200nsを超えてもほとんど変化しません。サンプルA、B、Cのターミナルフライヤー速度はそれぞれ1083 m / s、1173 m / s、1110 m / sで、Al箔（831）の約1.30、1.41、1.33倍です。 MS）。これらの結果は、その場でのナノ構造層の添加が、光吸収を高めるだけでなく、フライヤー速度を促進することもできることを確認した。サンプルBのフライヤー速度はサンプルCよりも速いのに対し、サンプルCは最も強い光吸収を持っていることは言及する価値があります。その理由は、サンプルCにははるかに豊富なAl ₂ があるためです。 O ₃ サンプルBと比較した含有量。Al ₂ でイオン結合と金属結合が形成されました。 O ₃ それぞれ、Al。また、イオン結合は金属結合よりもはるかに強力であることが知られており、Al ₂ の気化点と融点が高くなります。 O ₃ Alより高い。 Al ₂ の融点と気化点 O ₃ は2054°Cと2980°Cですが、Alの融点と気化点はそれぞれ660°Cと2519°Cです。さらに、熱伝導率は29.3 W / mK、Al ₂ の場合は237W / mKです。 O ₃ とアル。したがって、Al ₂ の場合はより困難です。 O ₃ 純アルミニウムと比較して融点が高く、熱伝導率が低いため、入射パルスレーザーで気化してプラズマを形成します[26]。したがって、光吸収はAl ₂ によって強化されますが O ₃ サンプルCでは、その間、Al ₂ O ₃ 入射レーザーエネルギーの一部を消費しますが、チラシの運転には役立ちません。

a PDVを使用して得られた加速チャンバー内のAl箔とサンプルA、B、およびCのフライヤー速度。 b AlホイルとサンプルA、B、Cのターミナルフライヤー速度

フライヤーの運動エネルギーは、次の関係によって取得できます。

ここで m _f は元のフライヤーの質量であり、 m _a アブレーションされたフライヤーの質量を表します。さらに、フライヤーは飛行プロセス中に統合された状態を維持すると仮定します。アブレーションされたフライヤーの質量は、Lawrence andTrottモデル[27]に従って評価できます。

ここで r はフライヤーの半径、μです。 _eff は実効吸収指数、 I ₀ は入射レーザー強度、 k はエネルギー損失指数であり、ε _d は気化エネルギーです。

チラシのエネルギー変換効率は、次の式を使用して表すことができます。

ここで、ξ フライヤーのエネルギー変換効率 E を示します _f チラシの運動エネルギーを表し、 E _l 入射レーザーエネルギーを表します。

フライヤーの運動エネルギーとエネルギー変換効率の計算結果を図6に示します。サンプルA、B、Cのエネルギー変換効率はそれぞれ36.8％、43.2％、38.6％で、1.70、1.99、 Al箔の1.78倍（21.7％）。この作業では、ナノ構造の吸収層をAl箔に追加すると、最高のエネルギー変換効率がほぼ2倍になります。実験結果は表1にまとめられています。したがって、フライヤーの表面にナノ構造の吸収層をその場で製造することにより、LDFのエネルギー変換効率を大幅に向上させる新しい方法が提供されます。

Al箔とサンプルA、B、Cの計算された運動エネルギーとエネルギー変換効率

結論

ナノ構造の吸収層は、直接レーザー書き込み技術によって薄いAl箔の表面にその場でうまく調製されました。さらに、レーザーパルス注入を制御することにより、マイクロスケールとナノスケールの両方の構造的特徴を実現できることを実証しました。その結果、光反射率の大幅な低下と光吸収の大幅な向上を実現できます。 Al箔の表面にナノ吸収層をその場で準備することにより、光吸収を18.7％から90.2％に増やすことができます。光吸収の増加は、次に、レーザー駆動フライヤーの速度と運動エネルギーの明らかな増加をもたらします。ナノ構造の吸収層を備えたフライヤーのエネルギー変換は、Al箔と比較して大幅に改善できます。この研究の最大エネルギー変換は、Al箔（21.7％）の1.99倍である43.2％に達します。したがって、フライヤーの表面にその場で調製されたアルミニウムナノ構造吸収層は、レーザーエネルギーの吸収を増加させ、LDFのエネルギー変換効率を改善するための新しい方法を提供します。さらに、この研究に存在するin situ調製技術は、光化学、センシング、光検出器、および量子光学の分野でも有望です。

データと資料の可用性

すべての著者は、資料、データ、および関連するプロトコルが読者に利用可能であり、分析に使用されるすべてのデータがこの記事に含まれていることを宣言します。