Amélioration de l'efficacité des volettes laser par couches d'absorption nano-structurées in-situ

Résumé

Trois types de volettes en aluminium avec différentes couches d'absorption nano-structurées ont été préparés in-situ par une technologie d'écriture laser directe pour améliorer l'efficacité de conversion d'énergie dans un assemblage de volette pilotée par laser. Les microstructures, l'absorption lumineuse et la vitesse de la volette dans la chambre d'accélération ont été investiguées. La réflectance des volettes à la longueur d'onde 1064 nm peut être réduite de 81,3 % à 9,8 % par la couche d'absorption nano-structurée. La vitesse terminale d'une volette Al de 50 μm d'épaisseur irradiée par une impulsion laser de 60 mJ est de 831 m/s, tandis que la vitesse de la volette avec une couche nano-absorbante fabriquée in-situ atteint 1113 m/s dans les mêmes conditions. Par conséquent, l'efficacité de conversion d'énergie de la volette avec une couche d'absorption nano-structurée peut atteindre jusqu'à 1,99 fois celle de la volette Al. Par conséquent, la couche d'absorption nano-structurée préparée in-situ sur la surface d'une volette fournit une nouvelle méthode pour améliorer significativement l'efficacité de conversion d'énergie d'une volette pilotée par laser.

Introduction

La volette pilotée par laser (LDF) utilisée pour détoner des explosifs offre une approche prometteuse pour une compression de choc bien contrôlée, à impulsion courte, de matériaux en phase condensée. Dans une configuration LDF, une fine feuille métallique supportée par un substrat fenêtre transparent est souvent lancée par un laser pulsé nanoseconde, une couche de la feuille métallique nommée couche d'ablation est ablatée générant instantanément des plasmas à haute pression, et les plasmas entraînent ensuite le reste de la feuille métallique à voler à une vitesse de plusieurs kilomètres par seconde comme volette. L'aluminium métallique est idéal comme matériau de volette en raison de sa bonne ténacité et faible densité. Cependant, puisque une grande fraction d'énergie est perdue en raison de la haute réflexion de la volette en aluminium pur, l'efficacité de conversion d'énergie de la volette (définie comme le rapport entre l'énergie cinétique de la volette et l'énergie laser incidente) est extrêmement faible, ce qui a grandement limité les applications pratiques de la LDF.

De nombreux travaux ont été menés dans le but d'améliorer l'efficacité de conversion d'énergie de la 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 du laser incident en raison de la réflexion diminuée, de nombreux matériaux avec une réflectivité plus faible comparée à l'aluminium pur ont été étudiés comme couche d'absorption. Labaste et al. et Brierley et al. ont investigué plusieurs matériaux comme couches d'absorption pour améliorer l'efficacité de conversion d'énergie et ont trouvé que l'ajout de Ge, Ti et Zn peut diminuer la réflexion et augmenter légèrement la vitesse de la volette. Une seule couche de peinture noire a aussi été appliquée comme couche d'absorption de la volette, mais la vitesse n'a pas été évidemment améliorée. Puisque ces matériaux à faible réflectivité servent non seulement comme couche d'absorption mais aussi comme couche d'ablation, tandis que l'efficacité du matériau d'interaction dépend à la fois des propriétés optiques et thermodynamiques du matériau de volette, l'augmentation de la vitesse de la volette est limitée.

Récemment, l'utilisation de nanomatériaux plasmoniques pour améliorer l'absorption lumineuse par une excitation de résonance de plasmon de surface localisée (LSPR) a attiré un intérêt considérable dans les domaines des capteurs spectroscopiques et de la conversion d'énergie solaire. Les nano-structures d'aluminium peuvent être utilisées comme systèmes de récolte de lumière car elles couvrent une large gamme spectrale de l'ultraviolet au visible de LSPR. Zhang et al. ont trouvé qu'une amélioration de 40 % en absorption pouvait être atteinte en intégrant les particules d'aluminium par simulations optiques. Lee et al. ont rapporté une stratégie de conception pour atteindre une plateforme robuste pour la récolte de lumière améliorée par plasmon en utilisant des nano-structures cœur-coquille d'aluminium, résultant dans une augmentation remarquable de la conversion photo-chimique. Fan et al. ont démontré une stratégie de traitement laser ultrarapide pour fabriquer des micro-nano-structures antireflet hautement efficaces sur surfaces métalliques épaisses, et une réflectance moyenne de 4,1 %, 2,4 % et 3,2 % dans le spectre large bande de l'ultraviolet au proche infrarouge sur surfaces Cu, Ti et W respectivement a été atteinte. Cependant, à notre meilleure connaissance, il n'y a pas de recherche sur l'utilisation de matériaux nano-structurés pour améliorer l'absorption laser dans les LDF.

Dans ce travail, nous proposons une couche d'absorption en aluminium nano-structurée préparée in-situ sur la surface de volettes Al minces pour améliorer l'absorption laser et l'efficacité de conversion d'énergie. Une technologie d'écriture laser directe nommée écriture laser directe a été utilisée pour fabriquer les nano-structures en raison de sa précision, simplicité relative et haut taux de rendement. La morphologie et la composition de la surface des nano-structures préparées in-situ ont été caractérisées et leur absorption lumineuse testée. Pour évaluer l'efficacité de conversion d'énergie des volettes avec une couche d'absorption nano-structurée, les volettes ont été lancées en utilisant des lasers mono-pulsés et leurs vitesses obtenues par vélocimétrie Doppler photonique (PDV). De plus, l'énergie cinétique et l'efficacité de conversion d'énergie des volettes ont été calculées et discutées.

Méthodes expérimentales

Préparation des échantillons

Des feuilles Al de taille 60 mm × 60 mm × 50 μm (largeur, longueur, hauteur) ont été utilisées comme volette de référence. Ces feuilles ont d'abord été polies électrochimiquement pour atteindre une faible rugosité moyenne de surface. Les couches d'absorption nano-structurées ont ensuite été préparées in-situ sur la surface des feuilles Al par un laser d'écriture directe sous atmosphère air. L'écriture laser directe a utilisé un laser femtoseconde polarisé (FX200-3-GFH, EdgeWave, Allemagne) avec une longueur d'onde de 1030 nm, durée d'impulsion de 600 fs et taux de répétition de 200 kHz. La puissance laser de sortie variait de 0 à 100 W. La Fig. 1 illustre le processus de préparation par écriture laser directe pour fabriquer les échantillons. Les nano-structures sur la surface des feuilles Al étaient contrôlées en changeant la puissance laser de radiation et la vitesse et période de balayage. Trois échantillons avec différentes couches d'absorption nano-structurées (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 la direction y et une 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 5000 mm/s dans les directions x et y et une 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 8000 mm/s dans les directions x et y et une période de balayage de 100 nm.

Méthodes de caractérisation

La morphologie de la surface des échantillons a été caractérisée par microscopie électronique à balayage (MEB, Ultra 55, Zeiss, Allemagne) combinée avec l'analyse par dispersion d'énergie des rayons X (EDX, Oxford, Royaume-Uni). La mesure de réflectivité dépendante de la longueur d'onde optique dans la gamme 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 intégrante.

La Fig. 2 illustre les configurations expérimentales utilisées pour lancer la volette et caractériser la vitesse de la volette car la vitesse est l'un des facteurs clés pour estimer la performance de la volette. Un laser Nd:YAG à commutation Q (Innolas SpitLight 400, longueur d'onde 1064 nm, longueur d'impulsion 14 ns) a été employé pour ablater et lancer les échantillons préparés, et un système PDV est appliqué pour mesurer la vitesse de la volette des échantillons. La distribution spatiale d'énergie du faisceau laser a été homogénéisée par une optique diffuse, puisque le faisceau focalisé lui-même était hautement non-uniforme. Le spot laser avait un diamètre de 0,5 mm. Dans l'expérience de vélocimétrie, les échantillons ont été découpés en petits morceaux et adhérés sur une fenêtre saphir avec la couche nano-structurée collée à la fenêtre. Des chambres d'accélération en acier avec une épaisseur de 0,2 mm et un diamètre intérieur de 0,6 mm ont été utilisées. Des impulsions laser uniques de 60 millijoules ont été tirées sur les échantillons pour produire des volettes volantes rapides 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 de la volette.

Résultats et discussion

Microstructure de la couche d'absorption

La Fig. 3a-f montre la microstructure de la couche d'absorption nano-structurée des échantillons A, B et C. Puisque l'échantillon A a été irradié par lasers ultrarapides dans une direction avec une vitesse de balayage v_x = 0 et v_y = 1000 mm/s, la surface de l'échantillon A exhibe des structures semi-périodiques, comme montré en Fig. 3a. Une nano-structure sphérique a été observée pour l'échantillon A en Fig. 3d. Les nano-sphères d'environ 50-200 nm de diamètre étaient recouvertes de nano-sphères plus petites dont les diamètres étaient inférieurs à 10 nm. Les échantillons B et C ont été irradiés dans les deux directions et leurs vitesses de balayage sont bien plus élevées que l'échantillon A ; aucune structure périodique évidente n'a été observée sur leurs surfaces, comme montré en Fig. 3b et c. Quant à l'échantillon B, de nombreuses particules à l'échelle du micromètre ont été observées sur sa surface (Fig. 3b), et les particules étaient composées de nano-structures chou-fleur (Fig. 3e). Puisque l'échantillon C a été irradié et balayé par une vitesse encore plus élevée comparée aux échantillons A et B, l'accumulation de nanoparticules était bien plus rapide et l'effet thermique plus proéminent. Par conséquent, des agrégats de nano-feuilles et nanoparticules bien plus épais ont été observés en Fig. 3c et f. Et de multiples fissures sont apparues sur la surface parce qu'un stress relativement élevé est apparu pendant le processus de refroidissement en raison de l'apport thermique proéminent.

La Fig. 3g-i sont les résultats d'analyse par dispersion d'énergie des rayons X (EDX) pour les échantillons A, B et C respectivement. L'EDX a montré la présence d'oxydes Al₂O₃ dans la composition des nano-structures. Les oxydes étaient formés en raison de l'oxydation de l'aluminium pendant le processus d'écriture laser. Les teneurs en oxygène des échantillons A, B et C étaient 2,2, 8,4 et 22,9 at% respectivement. Apparemment, les échantillons B et C avaient une teneur en oxygène bien plus élevée comparée à l'échantillon A, tandis que la puissance laser d'irradiation pour l'échantillon B (13,82 W) était plus basse que celle pour l'échantillon A (22,60 W) 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 significativement la génération et la dissipation de chaleur pendant l'écriture laser directe. Et l'oxydation augmente avec l'augmentation de la vitesse de balayage et la diminution de la période de balayage.

Absorption lumineuse des échantillons

La Fig. 4a montre les apparences au microscope optique de la feuille Al et des volettes avec une couche d'absorption nano-structurée. La couleur de la feuille Al est blanc argenté. Avec l'addition d'une couche d'absorption nano-structurée, les échantillons A, B et C exhibent des couleurs grise, noire et noir foncé, indiquant que plus de lumière peut être absorbée avec la couche d'absorption. La réflectance de la feuille Al et des échantillons A, B et C est testée par un spectrophotomètre, et les mesures sont répétées deux fois pour chaque échantillon. La Fig. 4b montre le spectre de réflectance de la feuille Al et de la volette en aluminium avec couche d'absorption nano-structurée. Puisque l'épaisseur de transmission de la lumière infrarouge à travers les métaux varie souvent de quelques dizaines de nanomètres à plusieurs centaines de nanomètres, donc aucune lumière n'a été transmise à travers les échantillons de feuille Al dont l'épaisseur était 50 μm. Et la lumière diffusée était incluse dans la lumière réfléchie dans la mesure utilisant une sphère intégrante. Par conséquent, l'absorption pouvait être calculée par 1-R (réflectance). Des différences étaient évidentes entre la feuille Al et la volette en aluminium avec une couche d'absorption nano-structurée. La réflectance de la feuille Al était de 81,3 % à la longueur d'onde laser de 1064 nm, indiquant que 81,3 % de la lumière incidente 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 lumineuse peut être efficacement améliorée avec la couche d'absorption nano-structurée préparée par écriture laser directe. L'échantillon C a l'absorption la plus forte (90,2 %) à 1064 nm comparé aux échantillons A et B. Outre l'effet des nano-structures, nous croyons que l'oxyde d'aluminium présent dans les nano-structures influence aussi tremendously l'absorption lumineuse de la volette. Généralement, Al₂O₃ est transparent et n'absorbe pas la lumière ; cependant, dans un processus d'écriture laser directe, il est hautement possible que l'Al₂O₃ généré et les particules d'aluminium forment une structure métal-diélectrique-métal. La structure se comporte comme une cavité F-P qui augmentera à son tour la résonance de plasmon de surface et augmentera l'absorption lumineuse. Comme les concentrations d'oxygène des échantillons A et B sont bien inférieures à celle de l'échantillon C, impliquant que les particules Al₂O₃ sont plus riches dans l'échantillon C que dans les autres échantillons, par conséquent, un effet de résonance de plasmon de surface plus renforcé et une absorption bien plus forte peuvent être atteints.

Vitesse de la volette

La Fig. 5 montre les vitesses de volette de la feuille Al et des échantillons A, B et C. Au début de 30 ns, la vitesse de la volette augmente fortement. Par la suite, la vitesse de la volette augmente graduellement de 30 à 200 ns, et change à peine quand le temps dépasse 200 ns. La vitesse terminale de la volette pour les échantillons A, B et C est de 1083 m/s, 1173 m/s et 1110 m/s respectivement, ce qui est environ 1,30, 1,41 et 1,33 fois plus élevée que celle de la feuille Al (831 m/s). Ces résultats ont confirmé que l'addition d'une couche nano-structurée in-situ peut non seulement améliorer l'absorption lumineuse mais aussi favoriser la vitesse de la volette. Il vaut la peine de mentionner que la vitesse de la volette pour l'échantillon B est plus élevée que l'échantillon C alors que l'échantillon C a l'absorption lumineuse la plus forte. La raison est que l'échantillon C a une teneur en Al₂O₃ bien plus riche comparée à l'échantillon B. La liaison ionique et la liaison métallique étaient formées dans Al₂O₃ et Al respectivement. Et on savait que la liaison ionique était bien plus forte que la liaison métallique, ce qui rend le point de vaporisation et de fusion pour Al₂O₃ plus élevés que Al. Le point de fusion et de vaporisation pour Al₂O₃ sont 2054 °C et 2980 °C, tandis que le point de fusion et de vaporisation pour Al sont 660 °C et 2519 °C respectivement. De plus, la conductivité thermique est 29,3 W/m·K et 237 W/m·K pour Al₂O₃ et Al. Donc, il est plus difficile pour Al₂O₃ de se vaporiser et former du plasma au laser pulsé incident en raison de son point de fusion élevé et faible conductivité thermique comparé à l'aluminium pur. Par conséquent, bien que l'absorption lumineuse soit améliorée par Al₂O₃ dans l'échantillon C, en même temps, Al₂O₃ consomme une partie de l'énergie laser incidente alors qu'il n'aide pas à entraîner la volette.

L'énergie cinétique des volettes peut être obtenue par la relation suivante : E = (m_f − m_a)v² / 2, où m_f est la masse originale de la volette, et m_a représente la masse de volette ablatée. De plus, nous assumons que la volette garde un état intégré pendant le processus de vol. La masse de volette ablatée peut être évaluée selon le modèle de Lawrence et Trott. L'efficacité de conversion d'énergie de la volette peut être notée en utilisant l'équation suivante : ξ = E_f / E_l, où ξ désigne l'efficacité de conversion d'énergie de la volette, E_f représente l'énergie cinétique de la volette, et E_l représente l'énergie laser incidente.

Les résultats calculés de l'énergie cinétique de la volette et de l'efficacité de conversion d'énergie sont illustrés en Fig. 6. L'efficacité de conversion d'énergie pour les échantillons A, B et C est de 36,8 %, 43,2 % et 38,6 % respectivement, ce qui est 1,70, 1,99 et 1,78 fois celle de la feuille Al (21,7 %). Dans ce travail, quand une couche d'absorption nano-structurée est ajoutée sur la feuille Al, la plus haute efficacité de conversion d'énergie a presque doublé. Les résultats expérimentaux sont résumés dans le Tableau 1. Par conséquent, la fabrication in-situ d'une couche d'absorption nano-structurée sur la surface d'une volette fournit une nouvelle méthode pour améliorer significativement l'efficacité de conversion d'énergie d'une LDF.

Conclusions

Des couches d'absorption nano-structurées ont été préparées avec succès in-situ sur la surface de feuilles Al minces par la technologie d'écriture laser directe. De plus, nous avons démontré qu'en contrôlant l'injection d'impulsion laser, les caractéristiques structurales à l'échelle micro et nano peuvent être réalisées. Par conséquent, une diminution substantielle de la réflectivité lumineuse et une amélioration significative de l'absorption lumineuse peuvent être réalisées. En préparant in-situ la couche nano-absorbante sur la surface d'une feuille Al, l'absorption lumineuse peut être augmentée de 18,7 % à 90,2 %. L'augmentation de l'absorption lumineuse résultera à son tour en une augmentation évidente de la vitesse et de l'énergie cinétique d'une volette pilotée par laser. La conversion d'énergie de la volette avec couche d'absorption nano-structurée peut être significativement améliorée comparée à la feuille Al, la conversion d'énergie maximale dans cette étude atteint 43,2 % ce qui est 1,99 fois celle de la feuille Al (21,7 %). Par conséquent, la couche d'absorption en nano-structure d'aluminium préparée in-situ sur la surface de la volette fournit une nouvelle méthode pour augmenter l'absorption d'énergie laser et améliorer l'efficacité de conversion d'énergie d'une LDF. De plus, la technologie de préparation in-situ présente dans ce travail est aussi prometteuse dans les domaines de la photochimie, la détection, les photodétecteurs et l'optique quantique.