インシチュナノ吸収層によるレーザー駆動フライヤー効率の向上
要旨
直接レーザー描画技術により、異なるナノ構造吸収層を持つ3種類のAlフライヤープレートをインシチュ作製し、レーザー駆動フライヤーアセンブリのエネルギー変換効率を改善した。マイクロ構造、光吸収、加速室内のフライヤー速度を調査。ナノ構造吸収層により、1064 nm波長でのフライヤー反射率を81.3%から9.8%に低減。60 mJレーザーパルス照射時、50 μm厚Alフライヤーの終端速度は831 m/sだが、インシチュ作製ナノ吸収層付きフライヤーは同条件で1113 m/sに到達。結果として、ナノ構造吸収層付きフライヤーのエネルギー変換効率はAlフライヤーの1.99倍に達する。したがって、フライヤー表面にインシチュ作製されたナノ構造吸収層は、レーザー駆動フライヤーのエネルギー変換効率を大幅に改善する新手法を提供する。
はじめに
レーザー駆動フライヤー（LDF）は爆発物起爆に用いられ、凝縮相材料の良好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する[1-4]。LDFセットアップでは、透明窓基板で支持された薄い金属箔がナノ秒パルスレーザーで打ち出される。金属箔のアブレーション層がアブレートされ瞬時に高圧プラズマを生成し、そのプラズマが金属箔の残部を数km/sの速度で飛翔させフライヤーとする。金属アルミニウムは優れた靭性と低密度によりフライヤー材料として理想的。しかし、純アルミニウムフライヤーの高反射率により大部分のエネルギーが反射損失するため、フライヤーのエネルギー変換効率（フライヤー運動エネルギーと入射レーザーエネルギーの比と定義）は極めて低く、LDFの実用応用を大きく制限してきた[5,6]。
LDFのエネルギー変換効率向上のため多くの研究が行われてきた。入射レーザー波長でより強い吸収を持つ層を導入し反射を減らすことで効率改善が可能と考え[7]、純アルミニウムより低反射率の材料が吸収層として研究されてきた。Labasteら[8]とBrierleyら[9]は吸収層として複数材料を調査し、Ge、Ti、Znの添加が反射減少とフライヤー速度のわずかな向上に寄与することを発見。黒色塗料の単層塗布も吸収層として適用されたが、速度向上は顕著ではなかった。これら低反射材料は吸収層であると同時にアブレーション層としても機能するが、相互作用材料効率はフライヤー材料の光学的・熱力学的特性の両方に依存するため[10]、フライヤー速度向上は限定的だった。
最近、局所表面プラズモン共鳴（LSPR）励起による光吸収向上目的でプラズモンナノ材料を用いることが、分光センサーと太陽エネルギー変換分野で大きな関心を集めている[11-13]。アルミニウムナノ構造は、紫外から可視光まで広いスペクトル範囲をカバーするLSPRにより光収集システムとして利用可能[14-17]。Zhangら[18]は光学シミュレーションによりアルミニウム粒子統合で吸収40%向上を発見。Leeら[19]はアルミニウムコアシェルナノ構造を用いたプラズモン増強光収集の堅牢なプラットフォーム設計戦略を報告し、光化学変換の顕著な増加を実現。Fanら[20]は厚金属表面に高効率反射防止マイクロナノ構造を作製する超高速レーザー加工戦略を実証し、Cu、Ti、W表面で紫外から近赤外の広帯域スペクトルで平均反射率4.1%、2.4%、3.2%を達成。しかし、ナノ構造材料を用いてLDFのレーザー吸収を改善する研究は、現時点では存在しない。
本研究では、薄Alフライヤー表面にインシチュ作製されるナノ構造アルミニウム吸収層を提案し、レーザー吸収とエネルギー変換効率を改善。精度、相対的シンプルさ、高歩留まりにより、直接レーザー描画と呼ばれるフェムト秒レーザー描画技術をナノ構造作製に採用[21-23]。インシチュ作製ナノ構造の表面形態と組成を評価し、光吸収を試験。ナノ構造吸収層付きフライヤーのエネルギー変換効率を評価するため、単一パルスレーザーでフライヤーを打ち出し、光子ドップラー速度計測法（PDV）で速度を取得。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を算出し議論した。
実験方法
サンプル作製
60 mm × 60 mm × 50 μm（幅、長さ、高さ）のAl箔を基準フライヤーとして使用。まず電気化学研磨で低表面平均粗さを実現。その後、空気雰囲気下で直接描画レーザーによりAl箔表面にナノ構造吸収層をインシチュ作製。直接レーザー描画には、波長1030 nm、パルス幅600 fs、繰り返し周波数200 kHzの偏光フェムト秒レーザー（FX200-3-GFH、EdgeWave、ドイツ）を使用。出力レーザー出力は0〜100 Wで可変。図1に直接レーザー描画によるサンプル作製プロセスを示す。Al箔表面のナノ構造は、照射レーザー出力と走査速度、周期を変えることで制御。異なるナノ構造吸収層を持つ3サンプル（サンプルA、B、C）を作製。サンプルA：22.60 Wレーザーパルス、y方向1000 mm/s走査速度、25 μm走査周期。サンプルB：13.82 Wレーザーパルス、xおよびy方向両方で5000 mm/s走査速度、1 μm走査周期。サンプルC：22.60 Wレーザーパルス、xおよびy方向両方で8000 mm/s走査速度、100 nm走査周期。
キャラクタリゼーション手法
サンプル表面形態は走査型電子顕微鏡（SEM、Ultra 55、Zeiss、ドイツ）とエネルギー分散型X線分析（EDX、Oxford、英国）を組み合わせて評価。サンプルの光学波長依存反射率測定（500〜1500 nm波長域）は、積分球を組み込んだUV-VIS-NIR分光光度計（SolidSpec-3700、Shimadzu、日本）で実施。
図2にフライヤー打ち出しとフライヤー速度評価の実験セットアップを示す（速度はフライヤー性能推定の主要因子の一つ）。QスイッチNd:YAGレーザー（Innolas SpitLight 400、1064 nm波長、14 nsパルス幅）を用いて作製サンプルをアブレート・打ち出し、PDVシステムでフライヤー速度を測定。レーザービーム空間エネルギー分布は拡散光学素子で均質化（集光ビーム自体が高度に非均一のため）。レーザースポット径は0.5 mm。速度計測実験では、サンプルを小片に切断し、ナノ構造層が窓側に接するようサファイア窓に貼り付け。厚さ0.2 mm、内径0.6 mmの鋼製加速室を使用。60 mJ単一レーザーパルスをサンプルに照射し、加速室内で高速フライヤーを生成。加速室出口にPDVシステム接続の光ファイバーを配置し、フライヤー速度を記録。
結果と考察
吸収層の微細構造
図3a〜fにサンプルA、B、Cのナノ構造吸収層微細構造を示す。サンプルAは一方向（vx = 0、vy = 1000 mm/s）で超高速レーザー照射されたため、表面に半周期構造を示す（図3a）。図3dにサンプルAのナノ球状構造を示す。直径50〜200 nmのナノ球が、直径10 nm未満のより小さなナノ球で覆われている。サンプルBとCは両方向照射で走査速度がサンプルAより遥かに高く、表面に明確な周期構造は観測されない（図3b、c）。サンプルBでは表面にマイクロメートルスケールの多数の粒子が観測（図3b）、それらはカリフラワーナノ構造で構成（図3e）。サンプルCはサンプルA、Bよりさらに高速で照射・走査されたため、ナノ粒子蓄積がより速く熱効果が顕著。その結果、図3c、fに非常に厚いナノシートとナノ粒子凝集が観測。冷却過程で比較的高い応力が発生したため、表面に複数のクラックが発生。
図3g〜iにサンプルA、B、Cのエネルギー分散型X線分析（EDX）結果を示す。EDXによりナノ構造組成にAl₂O₃酸化物の存在が示された。酸化物はレーザー描画プロセス中のアルミニウム酸化により形成。サンプルA、B、Cの酸素含有量はそれぞれ2.2、8.4、22.9 at%。明らかにサンプルBとCはサンプルAより遥かに高い酸素含有量を示し、サンプルBの照射レーザー出力（13.82 W）はサンプルA（22.60 W）より低く、サンプルAとCの照射出力は同一であることから、走査速度と走査周期が直接レーザー描画時の熱生成と放散に大きく影響することを示唆。酸化は走査速度の増加と走査周期の減少とともに増加する。
サンプルの光吸収
図4aにAl箔とナノ構造吸収層付きフライヤーの光学顕微鏡外観を示す。Al箔は銀白色。ナノ構造吸収層追加により、サンプルA、B、Cはそれぞれ灰色、黒、濃い黒色を示し、吸収層によりより多くの光が吸収されることを示唆。分光光度計でAl箔とサンプルA、B、Cの反射率を測定、各サンプル2回繰り返し測定。図4bにAl箔とナノ構造吸収層付きアルミニウムフライヤーの反射率スペクトルを示す。赤外光の金属透過厚は数十nm〜数百nmの範囲で変化することが多いため[24]、厚さ50 μmのAl箔サンプルでは光は透過しない。積分球を用いた測定では散乱光も反射光に含まれる。したがって吸収は1-R（反射率）で計算可能。Al箔とナノ構造吸収層付きアルミニウムフライヤーの間に明確な差異が見られる。Al箔のレーザー波長1064 nmでの反射率は81.3%で、入射光の81.3%が反射される。平均反射率はサンプルA、B、Cでそれぞれ50.5%、31.5%、9.8%に低減可能。したがって、直接レーザー描画で作製されたナノ構造吸収層により光吸収を効果的に向上可能。サンプルCが1064 nmで最強吸収（90.2%）を示す。ナノ構造効果に加え、ナノ構造に存在する酸化アルミニウムもフライヤー光吸収に多大な影響を与えると考えられる。一般にAl₂O₃は透明で光を吸収しないが、直接レーザー描画プロセスでは生成Al₂O₃とアルミニウム粒子が金属-誘電体-金属構造を形成する可能性が高い。この構造はF-Pキャビティとして振る舞い、表面プラズモン共鳴を増強し光吸収を増加させる[25]。サンプルAとBの酸素濃度はサンプルCより遥かに低く、サンプルCでAl₂O₃粒子がより豊富であることを示唆。結果として、より増強された表面プラズモン共鳴効果と遥かに強い吸収が達成される。
フライヤー速度
図5にAl箔とサンプルA、B、Cのフライヤー速度を示す。最初の30 nsでフライヤー速度が急激に増加。その後、30〜200 nsで緩やかに増加し、200 ns超過後はほとんど変化しない。サンプルA、B、Cの終端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 m/s）の約1.30、1.41、1.33倍。これら結果は、インシチュナノ構造層追加が光吸収向上のみでなくフライヤー速度促進にも寄与することを確認。サンプルBのフライヤー速度がサンプルCより高いことは注目に値する（サンプルCが最強光吸収）。理由はサンプルCがサンプルBより遥かに豊富なAl₂O₃含有量を持つため。Al₂O₃とAlにはそれぞれイオン結合と金属結合が形成され、イオン結合の方が遥かに強く、Al₂O₃の蒸発点と融点がAlより高い。Al₂O₃の融点と蒸発点はそれぞれ2054℃と2980℃、Alは660℃と2519℃。また、熱伝導率はAl₂O₃で29.3 W/m·K、Alで237 W/m·K。したがって、Al₂O₃は高融点と低熱伝導率により、入射パルスレーザーで気化しプラズマを形成することが純アルミニウムより困難[26]。したがって、サンプルCではAl₂O₃が光吸収を増強する一方で、フライヤー駆動に寄与せず入射レーザーエネルギーの一部を消費する。
フライヤー運動エネルギーは以下で算出：
$$ E = \frac{(m_f - m_a)v^2}{2} $$ (1)
ここでmfは元フライヤー質量、maはアブレートフライヤー質量。フライヤーが飛翔中に一体状態を保つと仮定。アブレートフライヤー質量はLawrenceとTrottモデル[27]で評価：
$$ m_a = \frac{\pi r^2}{\mu_{\text{eff}}} \ln \frac{\mu_{\text{eff}} I_0 (1-k)}{\varepsilon_d} $$ (2)
ここでrはフライヤー半径、μeffは有効吸収指数、I₀は入射レーザー強度、kはエネルギー損失指数、εdは気化エネルギー。
フライヤーのエネルギー変換効率は以下で表される：
$$ \xi = \frac{E_f}{E_l} $$ (3)
ここでξはフライヤーのエネルギー変換効率、Efはフライヤー運動エネルギー、Elは入射レーザーエネルギー。
算出されたフライヤー運動エネルギーとエネルギー変換効率を図6に示す。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、Al箔（21.7%）の1.70倍、1.99倍、1.78倍。本研究ではナノ構造吸収層をAl箔に追加することで最高エネルギー変換効率がほぼ2倍に向上。実験結果を表1にまとめた。したがって、フライヤー表面へのナノ構造吸収層インシチュ作製は、レーザー駆動フライヤーのエネルギー変換効率を大幅に改善する新手法を提供する。
結論
直接レーザー描画技術により、薄Al箔表面にナノ構造吸収層をインシチュ作製することに成功。レーザーパルス注入制御により、マイクロスケールとナノスケールの両構造的特徴を実現可能。結果として、光反射率の大幅低減と光吸収の顕著な向上を実現。Al箔表面にインシチュナノ吸収層を作製することで、光吸収を18.7%から90.2%に増加。光吸収増加はフライヤー速度と運動エネルギーの顕著な増加をもたらす。ナノ構造吸収層付き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され、本研究での最大エネルギー変換効率は43.2%に達し、Al箔（21.7%）の1.99倍。したがって、フライヤー表面にインシチュ作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吸収を増加させLDFのエネルギー変換効率を改善する新手法を提供する。さらに、本研究で提示したインシチュ作製技術は、光化学、センシング、光検出器、量子光学分野でも有望である。
データおよび材料の入手可能性
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