Повышение эффективности преобразования энергии летательного аппарата с лазерным приводом за счет нанопоглощающего слоя, изготовленного на месте

Введение

Управляемый лазером летательный аппарат (LDF), используемый для подрыва взрывчатых веществ, предлагает многообещающий подход к хорошо контролируемому короткоимпульсному ударному сжатию материалов конденсированной фазы [1,2,3,4]. В установке LDF тонкая металлическая фольга, поддерживаемая прозрачной оконной подложкой, часто запускается наносекундным импульсным лазером, слой металлической фольги, называемый абляционным слоем, удаляется, мгновенно создавая плазму высокого давления, а затем плазма перемещает остатки металлической фольги, чтобы летать со скоростью несколько километров в секунду в качестве летательного аппарата. Металлический алюминий идеален в качестве материала для листовок из-за его хорошей прочности и низкой плотности. Однако, поскольку большая часть энергии теряется из-за высокого отражения летательного аппарата из чистого алюминия, эффективность преобразования энергии летательного аппарата (определяемая как соотношение между кинетической энергией летательного аппарата и падающей лазерной энергией) чрезвычайно низка, что значительно снижает ограничили практическое применение ЛДФ [5, 6].

Был проведен большой объем работ по повышению эффективности преобразования энергии ЛДФ. Учитывая, что эффективность преобразования энергии может быть улучшена путем введения слоя с более сильным поглощением на длине волны падающего лазера из-за уменьшения отражения [7], многие материалы с более низким коэффициентом отражения по сравнению с чистым алюминием были изучены в качестве поглощающего слоя. Labaste et al. [8] и Brierley et al. [9] исследовали несколько материалов в качестве поглощающих слоев для повышения эффективности преобразования энергии и обнаружили, что добавление Ge, Ti и Zn может уменьшить отражение и немного увеличить скорость полета. Один слой черной краски также был нанесен в качестве абсорбирующего слоя флаера, но скорость явно не улучшилась. Поскольку эти материалы с низким коэффициентом отражения служат не только в качестве абсорбирующего, но и в качестве абляционного слоя, а эффективность взаимодействия материалов зависит как от оптических, так и от термодинамических свойств материала летательного аппарата [10], увеличение скорости летательного аппарата ограничено.>

В последнее время использование плазмонных наноматериалов для улучшения поглощения света за счет возбуждения локализованного поверхностного плазмонного резонанса (LSPR) привлекло значительный интерес в области спектроскопических датчиков и преобразования солнечной энергии [11,12,13]. Алюминиевые наноструктуры могут использоваться в качестве светособирающих систем, поскольку они покрывают широкий спектр спектра от ультрафиолетового до видимого света LSPR [14,15,16,17]. Zhang et al. [18] обнаружили, что увеличение поглощения на 40% может быть достигнуто за счет интеграции частиц алюминия с помощью оптического моделирования. Ли и др. [19] сообщили о стратегии разработки надежной платформы для плазмонно-усиленного сбора света с использованием алюминиевых наноструктур ядро-оболочка, что привело к значительному увеличению фотохимического преобразования. Fan et al. [20] продемонстрировали стратегию сверхбыстрой лазерной обработки для изготовления высокоэффективных просветляющих микронаноструктур на толстых металлических поверхностях и со средним коэффициентом отражения 4,1%, 2,4% и 3,2% в широкополосном спектре от ультрафиолета до ближнего инфракрасного диапазона на Были получены поверхности Cu, Ti и W соответственно. Однако, насколько нам известно, исследований по использованию наноструктурированного материала для улучшения поглощения лазерного излучения в ЛДФ не проводилось.

В этой работе мы предлагаем наноструктурированный абсорбирующий слой алюминия, приготовленный на месте на поверхности тонких листов из алюминия, для улучшения поглощения лазерного излучения и эффективности преобразования энергии. Для изготовления наноструктур была использована технология фемтосекундной лазерной записи, известная как прямая лазерная запись, благодаря ее точности, относительной простоте и высокой производительности [21,22,23]. Были охарактеризованы морфология и состав поверхности наноструктур, полученных in situ, и исследовано их светопоглощение. Чтобы оценить эффективность преобразования энергии летательных аппаратов с наноструктурированным абсорбирующим слоем, летательные аппараты запускались с использованием одноимпульсных лазеров, а их скорости были получены с помощью фотонной доплеровской велосиметрии (PDV). Кроме того, были рассчитаны и обсуждены кинетическая энергия и эффективность преобразования энергии летающими аппаратами.

Экспериментальные методы

Подготовка образца

Фольга из алюминия размером 60 мм × 60 мм × 50 мкм (ширина, длина и высота) использовалась в качестве справочной листовки. Эти фольги сначала были подвергнуты электрохимической полировке для достижения низкой средней шероховатости поверхности. Затем наноструктурированные поглощающие слои были приготовлены in situ на поверхности алюминиевой фольги с помощью прямого записывающего лазера в атмосфере воздуха. Для прямой лазерной записи использовался поляризованный фемтосекундный лазер (FX200-3-GFH, EdgeWave, Германия) с длиной волны 1030 нм, длительностью импульса 600 фс и частотой повторения 200 кГц. Выходная мощность лазера варьировалась от 0 до 100 Вт. На рис. 1 показан процесс подготовки к прямой лазерной записи для изготовления образцов. Наноструктуры на поверхности алюминиевых фольг контролировались изменением мощности излучения лазера, скорости и периода сканирования. Были приготовлены три образца с различными наноструктурированными абсорбционными слоями (образцы A, B и C). Образец А облучали лазерными импульсами мощностью 22,60 Вт со скоростью сканирования 1000 мм / с в течение y направление и период сканирования 25 мкм. Образец B облучали лазерными импульсами мощностью 13,82 Вт со скоростью сканирования 5000 мм / с в обоих x и y направления и период сканирования 1 мкм. Образец C облучали лазерными импульсами мощностью 22,60 Вт со скоростью сканирования 8000 мм / с в обоих x и y направления и период сканирования 100 нм.

Схема метода пробоподготовки

Методы характеризации

Морфологию поверхности образцов характеризовали с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM, Ultra 55, Zeiss, Германия) в сочетании с энергодисперсионным рентгеновским анализом (EDX, Оксфорд, Великобритания). Измерение отражательной способности образцов в зависимости от длины оптической волны на длине волны от 500 до 1500 нм проводилось с помощью спектрофотометра UV-VIS-NIR (SolidSpec-3700, Shimadzu, Япония), снабженного интегрирующей сферой.

На рисунке 2 показаны экспериментальные установки, использованные для запуска летательного аппарата, и дана характеристика скорости полета, поскольку скорость является одним из ключевых факторов для оценки летных характеристик. Nd:YAG-лазер с модуляцией добротности (Innolas SpitLight 400, длина волны 1064 нм, длительность импульса 14 нс) использовался для абляции и запуска подготовленных образцов, а система PDV применялась для измерения скорости полета образцов. Пространственное распределение энергии лазерного луча было гомогенизировано диффузионной оптикой, поскольку сам сфокусированный луч был сильно неоднородным. Лазерное пятно имело диаметр 0,5 мм. В велосиметрическом эксперименте образцы разрезали на мелкие кусочки и наклеивали на сапфировое окно, при этом наноструктурированный слой прилипал к окну. Использовались стальные ускорительные камеры толщиной 0,2 мм и внутренним диаметром 0,6 мм. Образцы испускали одиночными лазерными импульсами длиной 60 миллиджоулей, чтобы создать в ускорительной камере быстро летающие летательные аппараты. На выходе из ускорительной камеры было размещено оптоволокно, подключенное к системе PDV, для регистрации скорости полета.

Схема системы запуска и системы регистрации скорости полета (PDV)

Результаты и обсуждение

Микроструктура абсорбирующего слоя

На рис. 3a – f показана микроструктура наноструктурированного поглощающего слоя образцов A, B и C. Поскольку образец A облучали сверхбыстрым лазером в одном направлении со скоростью сканирования v _x =0 и v _y =1000 мм / с поверхность образца A демонстрирует полупериодические структуры, как показано на рис. 3а. Наносферическая структура наблюдалась для образца A на рис. 3d. Наносферы диаметром около 50–200 нм были покрыты более мелкими наносферами с диаметром менее 10 нм. Образцы B и C облучались в обоих направлениях, и их скорость сканирования намного выше, чем у образца A; на их поверхности не наблюдалось явных периодических структур, как показано на рис. 3б и в. Что касается образца B, то на его поверхности наблюдалось множество частиц размером в микрометры (рис. 3b), и частицы состояли из наноструктур цветной капусты (рис. 3e). Поскольку образец C облучали и сканировали с еще большей скоростью по сравнению с образцами A и B, накопление наночастиц происходило намного быстрее, а тепловой эффект был более заметным. Следовательно, на рис. 3c и f наблюдались гораздо более толстые нанолисты и агрегаты наночастиц. На поверхности образовались множественные трещины из-за того, что в процессе охлаждения возникло относительно высокое напряжение из-за значительного подводимого тепла.

а СЭМ-изображения с увеличением × 1000 для образца A. b СЭМ-изображения с увеличением × 1000 для образца B. c СЭМ-изображения с увеличением × 1000 для образца C. d СЭМ-изображения с увеличением на 4000 для образца A. e СЭМ-изображения с увеличением × 4000 для образца B. f СЭМ-изображения с увеличением на 4000 для образца C. g EDX для образца A. h EDX для образца B. i EDX для образца C

На рис. 3g – i представлены результаты энергодисперсионного рентгеновского анализа (EDX) для образцов A, B и C соответственно. EDX показал присутствие Al ₂ О ₃ оксиды в составе наноструктур. Оксиды образовались из-за окисления алюминия в процессе лазерной записи. Содержание кислорода в образцах A, B и C составляло 2,2, 8,4 и 22,9 ат.% Соответственно. По-видимому, образцы B и C имели гораздо более высокое содержание кислорода по сравнению с образцом A, в то время как мощность лазерного излучения для образца B (13,82 Вт) была ниже, чем для образца A (22,60 Вт), а мощность лазерного излучения для образцов A и C была идентичны, что указывает на то, что скорость сканирования и период сканирования существенно влияют на тепловыделение и рассеивание во время прямой лазерной записи. И окисление увеличивается с увеличением скорости сканирования и уменьшением периода сканирования.

Светопоглощение образцов

На рис. 4а показан внешний вид алюминиевой фольги и листовок с наноструктурированным поглощающим слоем в оптическом микроскопе. Цвет алюминиевой фольги - серебристо-белый. С добавлением наноструктурированного поглощающего слоя образцы A, B и C имеют серый, черный и темно-черный цвета, что указывает на то, что поглощающим слоем может быть поглощено больше света. Коэффициент отражения алюминиевой фольги и образцов A, B и C проверяется спектрофотометром, и измерения повторяются два раза для каждого образца. На рис. 4b показан спектр отражения алюминиевой фольги и алюминиевого флайера с абсорбирующим слоем наноструктуры. Поскольку толщина пропускания инфракрасного света через металлы часто изменяется от нескольких десятков нанометров до нескольких сотен нанометров [24], то свет не проходил через образцы алюминиевой фольги толщиной 50 мкм. А рассеянный свет был включен в отраженный свет при измерении с помощью интегральной сферы. Следовательно, поглощение можно рассчитать по 1-R (коэффициент отражения). Различия между алюминиевой фольгой и алюминиевым листом с наноструктурированным абсорбирующим слоем были очевидны. Коэффициент отражения алюминиевой фольги составлял 81,3% при длине волны лазера 1064 нм, что указывает на отражение 81,3% падающего света. Средняя отражательная способность может быть уменьшена до 50,5%, 31,5% и 9,8% для образцов A, B и C соответственно. Следовательно, поглощение света можно эффективно улучшить с помощью поглощающего слоя наноструктуры, приготовленного путем прямой лазерной записи. Образец C имеет самое сильное поглощение (90,2%) при 1064 нм по сравнению с образцами A и B. Мы считаем, что помимо эффекта наноструктур, оксид алюминия, представленный в наноструктурах, также оказывает огромное влияние на поглощение света летательным аппаратом. Обычно Al ₂ О ₃ прозрачен и не поглощает свет; однако в процессе прямой лазерной записи вполне возможно, что сгенерированный Al ₂ О ₃ и частицы алюминия с образованием структуры металл-диэлектрик-металл. Структура ведет себя как полость F-P, которая, в свою очередь, усиливает поверхностный плазмонный резонанс и увеличивает поглощение света [25]. Поскольку концентрации кислорода в образцах A и B намного меньше, чем в образце C, подразумевается, что Al ₂ О ₃ частицы богаче образцом C, чем другие образцы, в результате может быть достигнут более усиленный эффект поверхностного плазмонного резонанса и гораздо более сильное поглощение.

а Внешний вид алюминиевой фольги и образцов A, B и C. в оптическом микроскопе b Спектр отражения алюминиевой фольги и образцов A, B и C

Скорость полета флаера

На рис. 5 показаны летящие скорости для алюминиевой фольги и образцов A, B и C. В начале 30 нс скорость полета резко возрастает. После этого скорость летательного аппарата постепенно увеличивается, начиная с 30 до 200 нс, и практически не меняется, когда время превышает 200 нс. Конечная скорость полета для образцов A, B и C составляет 1083 м / с, 1173 м / с и 1110 м / с соответственно, что примерно в 1,30, 1,41 и 1,33 раза выше, чем у алюминиевой фольги (831 РС). Эти результаты подтвердили, что добавление наноструктурированного слоя in situ может не только улучшить поглощение света, но и повысить скорость полета. Стоит отметить, что скорость полета для образца B выше, чем для образца C, в то время как образец C имеет самое сильное поглощение света. Причина в том, что образец C имеет гораздо более богатый Al ₂ О ₃ содержание по сравнению с образцом B. Ионная связь и металлическая связь образовывались в Al ₂ О ₃ и Al соответственно. И было известно, что ионная связь намного прочнее, чем связь металла, из-за чего точка испарения и точка плавления Al ₂ О ₃ выше, чем Al. Точка плавления и точка испарения Al ₂ О ₃ составляют 2054 ° C и 2980 ° C, в то время как температура плавления и точка испарения для Al составляют 660 ° C и 2519 ° C, соответственно. Кроме того, теплопроводность составляет 29,3 Вт / м К и 237 Вт / м К для Al ₂ . О ₃ и Al. Следовательно, для Al ₂ сложнее О ₃ для испарения и образования плазмы в падающем импульсном лазере из-за его высокой температуры плавления и низкой теплопроводности по сравнению с чистым алюминием [26]. Следовательно, хотя поглощение света усиливается за счет Al ₂ О ₃ в образце C тем временем Al ₂ О ₃ потребляет часть падающей лазерной энергии, но не помогает управлять самолетом.

а Скорости полета Al фольги и образцов A, B и C в ускорительной камере, полученные с помощью PDV. б Конечные скорости полета алюминиевой фольги и образцов A, B и C

Кинетическая энергия летунов может быть получена следующим соотношением:

где м _f - исходная масса летательного аппарата, а м _а представляет собой удаленную массу летательного аппарата. Более того, мы предполагаем, что флаер сохраняет целостность во время полета. Массу удаленного летуна можно оценить по модели Лоуренса и Тротта [27].

где r - радиус летуна, μ _eff - эффективный показатель поглощения, I ₀ - интенсивность падающего лазера, k - индекс потерь энергии, а ε _d - энергия парообразования.

Эффективность преобразования энергии флаера можно обозначить с помощью следующего уравнения:

где ξ обозначает эффективность преобразования энергии флаера, E _f представляет кинетическую энергию летящего, а E _l представляет собой падающую лазерную энергию.

Результаты расчетов кинетической энергии и эффективности преобразования энергии для летчика показаны на рис. 6. Эффективность преобразования энергии для образцов A, B и C составляет 36,8%, 43,2% и 38,6% соответственно, что составляет 1,70, 1,99, и в 1,78 раза больше, чем у алюминиевой фольги (21,7%). В этой работе, когда наноструктурированный абсорбционный слой добавляется на алюминиевую фольгу, максимальная эффективность преобразования энергии почти удваивается. Результаты экспериментов приведены в таблице 1. Таким образом, изготовление на месте наноструктурированного абсорбирующего слоя на поверхности летательного аппарата представляет собой новый метод значительного повышения эффективности преобразования энергии LDF.

Расчетная кинетическая энергия и эффективность преобразования энергии алюминиевой фольги и образцов A, B и C

Выводы

Наноструктурированные поглощающие слои были успешно приготовлены in situ на поверхности тонких алюминиевых фольг с помощью технологии прямой лазерной записи. Кроме того, мы продемонстрировали, что посредством управления инжекцией лазерного импульса могут быть реализованы как микромасштабные, так и наноразмерные структурные особенности. Следовательно, может быть реализовано существенное уменьшение отражательной способности света и значительное увеличение поглощения света. Путем подготовки наноабсорбционного слоя на поверхности алюминиевой фольги на месте поглощение света можно увеличить с 18,7 до 90,2%. Увеличение поглощения света, в свою очередь, приведет к очевидному увеличению скорости и кинетической энергии летательного аппарата с лазерным управлением. Преобразование энергии флаера с наноструктурированным абсорбирующим слоем может быть значительно улучшено по сравнению с алюминиевой фольгой, максимальное преобразование энергии в этом исследовании достигает 43,2%, что в 1,99 раза больше, чем у алюминиевой фольги (21,7%). Таким образом, поглощающий слой наноструктуры алюминия, подготовленный на месте на поверхности листовки, представляет собой новый метод увеличения поглощения лазерной энергии и повышения эффективности преобразования энергии LDF. Кроме того, технология подготовки in situ, представленная в этой работе, также является многообещающей в областях фотохимии, зондирования, фотодетекторов и квантовой оптики.

Доступность данных и материалов

Все авторы заявляют, что материалы, данные и соответствующие протоколы доступны читателям, и все данные, использованные для анализа, включены в эту статью.