Amélioration de l'efficacité de conversion d'énergie d'un flyer laser grâce à une couche de nano-absorption fabriquée in situ

Introduction

Le flyer laser (LDF) utilisé pour faire exploser des explosifs offre une approche prometteuse pour une compression par choc à impulsion courte bien contrôlée des matériaux en phase condensée [1,2,3,4]. Dans une configuration LDF, une fine feuille métallique supportée par un substrat de fenêtre transparent est souvent lancée par un laser pulsé à la nanoseconde, une couche de la feuille métallique appelée couche d'ablation est supprimée générant instantanément des plasmas à haute pression, et les plasmas entraînent ensuite les restes de la feuille de métal pour voler à une vitesse de plusieurs kilomètres par seconde comme un flyer. L'aluminium métallique est idéal comme matériau de flyer en raison de sa bonne ténacité et de sa faible densité. Cependant, étant donné qu'une grande partie de l'énergie est perdue en raison de la réflexion élevée du dépliant en aluminium pur, l'efficacité de conversion d'énergie du dépliant (définie comme le rapport entre l'énergie cinétique du dépliant et l'énergie laser incidente) est extrêmement faible, ce qui a grandement limité les applications pratiques du LDF [5, 6].

De nombreux travaux ont été réalisés dans le but d'améliorer l'efficacité de conversion énergétique du LDF. Considérant que l'efficacité de conversion d'énergie pourrait être améliorée en introduisant une couche avec une absorption plus forte à la longueur d'onde laser incidente en raison d'une réflexion réduite [7], de nombreux matériaux avec une réflectivité inférieure par rapport à l'aluminium pur ont été étudiés comme couche d'absorption. Labaste et al. [8] et Brierley et al. [9] ont étudié plusieurs matériaux en tant que couches d'absorption pour améliorer l'efficacité de la conversion d'énergie et ont découvert que l'ajout de Ge, Ti et Zn peut diminuer la réflexion et augmenter légèrement la vitesse du flyer. Une seule couche de peinture noire a également été appliquée comme couche d'absorption du dépliant, mais la vitesse n'a manifestement pas été améliorée. Étant donné que ces matériaux peu réfléchissants servent non seulement de couche d'absorption mais également de couche d'ablation, tandis que l'efficacité du matériau d'interaction dépend à la fois des propriétés optiques et thermodynamiques du matériau du flyer [10], l'augmentation de la vitesse du flyer est limitée.

Récemment, l'utilisation de nanomatériaux plasmoniques pour améliorer l'absorption de la lumière via une excitation de résonance plasmonique de surface localisée (LSPR) a suscité un intérêt considérable dans les domaines des capteurs spectroscopiques et de la conversion de l'énergie solaire [11,12,13]. Les nanostructures d'aluminium peuvent être utilisées comme systèmes de collecte de lumière car elles couvrent un large spectre allant de la lumière ultraviolette à la lumière visible du LSPR [14,15,16,17]. Zhang et al. [18] ont découvert qu'une amélioration de 40 % de l'absorption pouvait être obtenue en intégrant les particules d'aluminium à l'aide de simulations optiques. Lee et al. [19] ont rapporté une stratégie de conception pour obtenir une plate-forme robuste pour la récolte de lumière améliorée par plasmon en utilisant des nanostructures noyau-coque en aluminium, ce qui a entraîné une augmentation remarquable de la conversion photo-chimique. Fan et al. [20] ont démontré une stratégie de traitement laser ultrarapide pour la fabrication de micro-nano-structures antireflet hautement efficaces sur des surfaces métalliques épaisses, et une réflectance moyenne de 4,1 %, 2,4 % et 3,2 % dans le spectre à large bande allant de l'ultraviolet au proche infrarouge sur Cu, Ti et W, respectivement, des surfaces ont été réalisées. Cependant, à notre connaissance, il n'y a pas de recherche sur l'utilisation de matériaux nanostructurés pour améliorer l'absorption laser dans les LDF.

Dans ce travail, nous proposons une couche d'absorption en aluminium nanostructurée in situ préparée à la surface de minces flyers en Al pour améliorer l'efficacité d'absorption laser et de conversion d'énergie. Une technologie d'écriture laser femtoseconde appelée écriture laser directe a été utilisée pour fabriquer les nanostructures en raison de sa précision, de sa simplicité relative et de son taux de rendement élevé [21,22,23]. La morphologie et la composition de la surface des nanostructures préparées in situ ont été caractérisées et leur absorption lumineuse a été testée. Pour évaluer l'efficacité de conversion énergétique des flyers avec une couche d'absorption nanostructurée, les flyers ont été lancés à l'aide de lasers monopulsés et leurs vitesses ont été obtenues par vélocimétrie Doppler photonique (PDV). De plus, l'énergie cinétique et l'efficacité de conversion d'énergie des flyers ont été calculées et discutées.

Méthodes expérimentales

Préparation de l'échantillon

Des feuilles d'aluminium d'une taille de 60 mm × 60 mm × 50 μm (largeur, longueur et hauteur) ont été utilisées comme flyer de référence. Ces feuilles ont d'abord été polies électrochimiquement pour obtenir une faible rugosité de surface moyenne. Les couches d'absorption nanostructurées ont ensuite été préparées in situ à la surface de feuilles d'Al par un laser à écriture directe sous atmosphère d'air. L'écriture laser directe a utilisé un laser femtoseconde polarisé (FX200-3-GFH, EdgeWave, Allemagne) avec une longueur d'onde de 1030 nm, une durée d'impulsion de 600 fs et un taux de répétition de 200 kHz. La puissance laser de sortie variait de 0 à 100   W. La figure 1 illustre le processus de préparation d'écriture laser directe pour fabriquer les échantillons. Les nanostructures à la surface des feuilles d'aluminium ont été contrôlées en modifiant la puissance du rayonnement laser et la vitesse et la période de balayage. Trois échantillons avec différentes couches d'absorption nanostructurées (échantillons A, B et C) ont été préparés. L'échantillon A a été irradié par des impulsions laser de 22,60 W avec une vitesse de balayage de 1000 mm/s dans le y direction et période de balayage de 25 μm. L'échantillon B a été irradié par des impulsions laser de 13,82 W avec une vitesse de balayage de 5 000 mm/s dans les deux x et y directions et période de balayage de 1 µm. L'échantillon C a été irradié par des impulsions laser de 22,60 W avec une vitesse de balayage de 8 000 mm/s dans les deux x et y directions et période de balayage de 100 nm.

Schémas de la méthode de préparation des échantillons

Méthodes de caractérisation

La morphologie de la surface des échantillons a été caractérisée par microscopie électronique à balayage (SEM, Ultra 55, Zeiss, Allemagne) combinée à une analyse aux rayons X à dispersion d'énergie (EDX, Oxford, Grande-Bretagne). La mesure de la réflectivité optique dépendante de la longueur d'onde dans la longueur d'onde de 500 à 1500 nm pour les échantillons a été réalisée avec un spectrophotomètre UV-VIS-NIR (SolidSpec-3700, Shimadzu, Japon) incorporé avec une sphère d'intégration.

La figure 2 illustre les configurations expérimentales utilisées pour lancer le dépliant et caractériser la vitesse du dépliant, car la vitesse est l'un des facteurs clés pour estimer les performances du dépliant. Un laser Nd:YAG à commutation Q (Innolas SpitLight 400, longueur d'onde de 1064 nm, longueur d'impulsion de 14 ns) a été utilisé pour procéder à l'ablation et au lancement des échantillons préparés, et un système PDV est appliqué pour mesurer la vitesse de déplacement des échantillons. La distribution spatiale de l'énergie du faisceau laser a été homogénéisée par une optique diffusive, puisque le faisceau focalisé lui-même était fortement non uniforme. Le spot laser avait un diamètre de 0,5 µmm. Dans l'expérience de vélocimétrie, des échantillons ont été coupés en petits morceaux et collés sur une fenêtre en saphir avec la couche nanostructurée accrochée à la fenêtre. Des chambres d'accélération en acier d'une épaisseur de 0,2 mm et d'un diamètre intérieur de 0,6 mm ont été utilisées. Des impulsions laser uniques de soixante millijoules ont été tirées sur les échantillons pour produire des dépliants volant rapidement dans la chambre d'accélération. Une fibre optique connectée au système PDV a été placée à la sortie de la chambre d'accélération pour enregistrer la vitesse du flyer.

Schémas du système de lancement du flyer et du système d'enregistrement de la vitesse du flyer (PDV)

Résultats et discussion

Microstructure de la couche d'absorption

Les figures 3a–f montrent la microstructure de la couche d'absorption nanostructurée des échantillons A, B et C. Étant donné que l'échantillon A a été irradié par des lasers ultrarapides dans une direction avec une vitesse de balayage de v _x =0 et v _y =1000 mm/s, la surface de l'échantillon A présente des structures semi-périodiques, comme le montre la figure 3a. Une structure nano-sphérique a été observée pour l'échantillon A sur la figure 3d. Les nanosphères d'un diamètre d'environ 50 à 200 nm étaient recouvertes de nanosphères plus petites dont les diamètres étaient inférieurs à 10  nm. Les échantillons B et C ont été irradiés dans les deux sens et leurs vitesses de balayage sont bien supérieures à celles de l'échantillon A; aucune structure périodique évidente n'a été observée sur leurs surfaces, comme le montrent les figures 3b et c. Comme pour l'échantillon B, de nombreuses particules à l'échelle du micromètre ont été observées à sa surface (Fig. 3b), et les particules étaient composées de nanostructures de chou-fleur (Fig. 3e). Étant donné que l'échantillon C a été irradié et scanné à une vitesse encore plus élevée par rapport aux échantillons A et B, l'accumulation de nanoparticules était beaucoup plus rapide et l'effet de la chaleur était plus important. Par conséquent, des agrégats de nanofeuilles et de nanoparticules beaucoup plus épais ont été observés sur les figures 3c et f. Et de multiples fissures se sont produites sur la surface car des contraintes relativement élevées sont apparues pendant le processus de refroidissement en raison d'un apport de chaleur important.

un Images SEM avec un grossissement × 1000 pour l'échantillon A. b Images SEM avec un grossissement × 1000 pour l'échantillon B. c Images SEM avec un grossissement × 1000 pour l'échantillon C. d Images SEM avec un grossissement × 4000 pour l'échantillon A. e Images SEM avec un grossissement × 4000 pour l'échantillon B. f Images SEM avec un grossissement × 4000 pour l'échantillon C. g EDX pour l'échantillon A. h EDX pour l'échantillon B. i EDX pour l'échantillon C

La figure 3g–i représente les résultats de l'analyse par rayons X à dispersion d'énergie (EDX) pour les échantillons A, B et C, respectivement. L'EDX a montré la présence d'Al₂ O₃ oxydes entrant dans la composition des nanostructures. Les oxydes se sont formés en raison de l'oxydation de l'aluminium pendant le processus d'écriture au laser. Les teneurs en oxygène des échantillons A, B et C étaient de 2,2, 8,4 et 22,9 % atomiques, respectivement. Apparemment, les échantillons B et C avaient une teneur en oxygène beaucoup plus élevée que l'échantillon A, tandis que la puissance laser d'irradiation pour l'échantillon B (13,82 µW) était inférieure à celle de l'échantillon A (22,60 µW) et la puissance laser d'irradiation pour les échantillons A et C était identique, indiquant que la vitesse de balayage et la période de balayage influencent de manière significative la génération et la dissipation de chaleur pendant l'écriture laser directe. Et l'oxydation augmente avec l'augmentation de la vitesse de numérisation et la diminution de la période de numérisation.

Absorption de la lumière des échantillons

La figure 4a montre les apparences au microscope optique de la feuille d'aluminium et des dépliants avec une couche d'absorption nanostructurée. La couleur de la feuille d'aluminium est blanc argenté. Avec l'ajout d'une couche d'absorption nanostructurée, les échantillons A, B et C présentent des couleurs grises, noires et noires foncées, indiquant qu'une plus grande quantité de lumière peut être absorbée avec la couche d'absorption. La réflectance de la feuille d'aluminium et des échantillons A, B et C est testée par un spectrophotomètre, et les mesures sont répétées deux fois pour chaque échantillon. La figure 4b montre le spectre de réflectance de la feuille d'aluminium et du dépliant en aluminium avec une couche d'absorption à nanostructure. Étant donné que l'épaisseur de transmission de la lumière infrarouge à travers les métaux varie souvent de quelques dizaines de nanomètres à plusieurs centaines de nanomètres [24], ainsi, aucune lumière n'a été transmise à travers les échantillons de feuille d'Al dont l'épaisseur était de 50 µm. Et la lumière diffusée a été incluse dans la lumière réfléchie dans la mesure à l'aide d'une sphère intégrale. Par conséquent, l'absorption pourrait être calculée par 1-R (réflectance). Des différences étaient évidentes entre la feuille d'aluminium et le dépliant en aluminium avec une couche d'absorption nanostructurée. La réflectance de la feuille d'aluminium était de 81,3 % à la longueur d'onde laser de 1064  nm, indiquant que 81,3 % de la lumière d'incidence était réfléchie. La réflectance moyenne peut être réduite à 50,5 %, 31,5 % et 9,8 % pour les échantillons A, B et C, respectivement. Par conséquent, l'absorption de la lumière peut être efficacement améliorée avec la couche d'absorption de nanostructure préparée par écriture laser directe. L'échantillon C a la plus forte absorption (90,2%) à 1064  nm par rapport aux échantillons A et B. Outre l'effet des nanostructures, nous pensons que l'oxyde d'aluminium présenté dans les nanostructures influence également énormément l'absorption lumineuse du flyer. Généralement, Al₂ O₃ est transparent et n'absorbe pas la lumière; cependant, dans un processus d'écriture laser direct, il est hautement possible pour l'Al₂ généré O₃ et des particules d'aluminium pour former une structure métal-diélectrique-métal. La structure se comporte comme une cavité F-P qui à son tour améliorera la résonance plasmonique de surface et augmentera l'absorption de la lumière [25]. Comme les concentrations d'oxygène des échantillons A et B sont bien inférieures à celles de l'échantillon C, ce qui implique que l'Al₂ O₃ les particules sont plus riches en échantillon C que les autres échantillons, ce qui permet d'obtenir un effet de résonance plasmonique de surface plus amélioré et une absorption beaucoup plus forte.

un Aspects au microscope optique de la feuille d'aluminium et des échantillons A, B et C. b Le spectre de réflectance de la feuille d'aluminium et des échantillons A, B et C

Vitesse du Flyer

La figure 5 montre les vitesses du flyer de la feuille d'aluminium et des échantillons A, B et C. Au début de 30 ns, la vitesse du flyer augmente fortement. Par la suite, la vitesse du flyer augmente progressivement à partir de 30 à 200 ns, et ne change pratiquement pas lorsque le temps dépasse 200  ns. La vitesse terminale du flyer pour les échantillons A, B et C est respectivement de 1083 m/s, 1173 m/s et 1110 m/s, ce qui est environ 1,30, 1,41 et 1,33 fois supérieure à celle de la feuille d'Al (831 Mme). Ces résultats ont confirmé que l'ajout d'une couche nanostructurée in situ peut non seulement améliorer l'absorption de la lumière mais également favoriser la vitesse du flyer. Il convient de mentionner que la vitesse du flyer pour l'échantillon B est supérieure à celle de l'échantillon C tandis que l'échantillon C a la plus forte absorption de lumière. La raison en est que l'échantillon C a un Al₂ beaucoup plus riche O₃ contenu par rapport à l'échantillon B. Une liaison ionique et une liaison métallique se sont formées dans Al₂ O₃ et Al, respectivement. Et il était connu que la liaison ionique était beaucoup plus forte que la liaison métallique, ce qui rend le point de vaporisation et le point de fusion pour Al₂ O₃ supérieur à Al. Le point de fusion et le point de vaporisation pour Al₂ O₃ sont de 2054 °C et 2980 °C, tandis que le point de fusion et le point de vaporisation pour Al sont respectivement de 660 °C et 2519 °C. De plus, la conductivité thermique est de 29,3 W/m K et de 237 W/m K pour Al₂ O₃ et Al. Par conséquent, il est plus difficile pour Al₂ O₃ vaporiser et former un plasma au niveau du laser pulsé incident en raison de son point de fusion élevé et de sa faible conductivité thermique par rapport à l'aluminium pur [26]. Par conséquent, bien que l'absorption lumineuse soit améliorée par Al₂ O₃ dans l'échantillon C, en attendant, Al₂ O₃ consomme une partie de l'énergie laser incidente alors que cela n'aide pas à conduire le flyer.

un Les vitesses de vol de la feuille d'aluminium et des échantillons A, B et C dans la chambre d'accélération obtenues à l'aide de PDV. b Les vitesses terminales du flyer de la feuille d'aluminium et des échantillons A, B et C

L'énergie cinétique des flyers peut être obtenue par la relation suivante :

où m _f est la masse d'origine du dépliant, et m _un représente la masse de l'aviateur ablaté. De plus, nous supposons que le pilote conserve un état intégré pendant le processus de vol. La masse du flyer ablaté peut être évaluée selon le modèle de Lawrence et Trott [27].

où r est le rayon du flyer, μ _eff est l'indice d'absorption effectif, I ₀ est l'intensité laser incidente, k est l'indice de perte d'énergie, et ε _d est l'énergie de vaporisation.

L'efficacité de conversion énergétique du flyer peut être représentée à l'aide de l'équation suivante :

où ξ désigne l'efficacité de conversion énergétique du dépliant, E _f représente l'énergie cinétique du flyer, et E _l représente l'énergie laser incidente.

Les résultats calculés de l'énergie cinétique du flyer et de l'efficacité de conversion d'énergie ont été illustrés à la figure 6. L'efficacité de conversion d'énergie pour les échantillons A, B et C est respectivement de 36,8 %, 43,2 % et 38,6 %, soit 1,70, 1,99, et 1,78 fois celui du foil Al (21,7%). Dans ce travail, lorsqu'une couche d'absorption nanostructurée est ajoutée sur une feuille d'aluminium, l'efficacité de conversion d'énergie la plus élevée a presque doublé. Les résultats expérimentaux sont résumés dans le tableau 1. Par conséquent, la fabrication in situ d'une couche d'absorption nanostructurée sur la surface d'un flyer fournit une nouvelle méthode pour améliorer considérablement l'efficacité de conversion d'énergie d'un LDF.

L'énergie cinétique calculée et l'efficacité de conversion d'énergie de la feuille d'aluminium et des échantillons A, B et C

Conclusions

Des couches d'absorption nanostructurées ont été préparées avec succès in situ à la surface de fines feuilles d'aluminium par la technologie d'écriture laser directe. De plus, nous avons démontré qu'en contrôlant l'injection d'impulsions laser, les caractéristiques structurelles à l'échelle microscopique et nanométrique peuvent être réalisées. Par conséquent, une diminution substantielle de la réflectivité de la lumière et une amélioration significative de l'absorption de la lumière peuvent être réalisées. En préparant in situ la couche de nano-absorption à la surface d'une feuille d'aluminium, l'absorption de la lumière peut être augmentée de 18,7 à 90,2 %. L'augmentation de l'absorption de la lumière entraînera à son tour une augmentation évidente de la vitesse et de l'énergie cinétique d'un dépliant entraîné par laser. La conversion d'énergie du flyer avec couche d'absorption nanostructurée peut être considérablement améliorée par rapport à la feuille d'aluminium, la conversion d'énergie maximale dans cette étude atteint jusqu'à 43,2 %, soit 1,99 fois celle de la feuille d'aluminium (21,7 %). Par conséquent, la couche d'absorption de nanostructure en aluminium in situ préparée à la surface du flyer fournit une nouvelle méthode pour augmenter l'absorption de l'énergie laser et améliorer l'efficacité de conversion d'énergie d'un LDF. De plus, la technologie de préparation in situ présente dans ce travail est également prometteuse dans les domaines de la photochimie, de la détection, des photodétecteurs et de l'optique quantique.

Disponibilité des données et des matériaux

Tous les auteurs déclarent que le matériel, les données et les protocoles associés sont à la disposition des lecteurs, et toutes les données utilisées pour l'analyse sont incluses dans cet article.