Mejora de la Eficiencia de Voladores Impulsados por Láser con Capas Nano-Absorbentes In Situ

Resumen

Tres tipos de placas voladoras de Al con diferentes capas de absorción nanoestructuradas se prepararon in situ mediante tecnología de escritura láser directa para mejorar la eficiencia de conversión energética en un conjunto de volador impulsado por láser. Se investigaron microestructuras, absorción de luz y velocidad del volador en la cámara de aceleración. La reflectancia de los voladores a longitud de onda 1064 nm se redujo de 81,3% a 9,8% por la capa nanoestructurada. La velocidad terminal de un volador Al de 50 μm irradiado por pulso láser de 60 mJ es 831 m/s, mientras que la del volador con capa nano-absorbente in situ alcanza 1113 m/s en mismas condiciones. Resulta que la eficiencia de conversión energética del volador con capa nanoestructurada llega hasta 1,99 veces la del volador Al. Por tanto, la capa de absorción nanoestructurada preparada in situ en la superficie del volador proporciona un nuevo método para mejorar significativamente la eficiencia de conversión energética de un volador impulsado por láser.

Introducción

El volador impulsado por láser (LDF) usado para detonar explosivos ofrece un enfoque prometedor para compresión de choque de pulso corto bien controlada de materiales en fase condensada. En configuración LDF, una lámina metálica delgada soportada por sustrato de ventana transparente se lanza a menudo por láser pulsado de nanosegundos, una capa de la lámina metálica llamada capa de ablación se abla generando plasmas de alta presión instantáneamente, y los plasmas impulsan el resto de la lámina a volar a velocidad de varios km/s como volador. El aluminio es ideal como material volador por su buena tenacidad y baja densidad. Sin embargo, como gran fracción de energía se pierde por alta reflexión del volador de Al puro, la eficiencia de conversión energética (definida como relación entre energía cinética del volador e energía láser incidente) es extremadamente baja, limitando grandemente aplicaciones prácticas del LDF.

Muchos trabajos se han realizado para mejorar la eficiencia de conversión energética del LDF. Considerando que la eficiencia podría mejorarse introduciendo capa con mayor absorción en longitud de onda láser incidente por disminución de reflexión, se han estudiado muchos materiales con menor reflectividad que Al puro como capa de absorción. Labaste et al. y Brierley et al. investigaron varios materiales como capas de absorción y encontraron que adición de Ge, Ti y Zn disminuye reflexión y aumenta ligeramente velocidad del volador. Una capa de pintura negra también se aplicó como capa de absorción, pero la velocidad no mejoró notablemente. Como estos materiales de baja reflectividad sirven no solo como absorción sino también como capa de ablación, mientras la eficiencia de interacción depende de propiedades ópticas y termodinámicas del material volador, el aumento de velocidad es limitado.

Recientemente, el uso de nanomateriales plasmónicos para mejorar absorción de luz mediante excitación de resonancia de plasmones de superficie localizados (LSPR) ha atraído considerable interés en sensores espectroscópicos y conversión energía solar. Nanoestructuras de Al pueden usarse como sistemas de recolección de luz porque cubren amplio rango espectral desde ultravioleta a luz visible de LSPR. Zhang et al. encontraron que mejora de 40% en absorción podía lograrse integrando partículas de Al mediante simulaciones ópticas. Lee et al. reportaron estrategia de diseño para plataforma robusta de recolección de luz mejorada por plasmones usando nanoestructuras núcleo-capa de Al, resultando en notable aumento de conversión foto-química. Fan et al. demostraron estrategia de procesamiento láser ultrarrápido para fabricar micro-nanoestructuras antirreflectantes altamente efectivas en superficies metálicas gruesas, logrando reflectancia promedio 4,1%, 2,4% y 3,2% en espectro ancho UV-infrarrojo cercano en Cu, Ti y W respectivamente. Sin embargo, a nuestro conocimiento, no hay investigación sobre uso de material nanoestructurado para mejorar absorción láser en LDFs.

En este trabajo, proponemos una capa de absorción de Al nanoestructurada preparada in situ en superficie de voladores Al delgados para mejorar absorción láser y eficiencia de conversión. Tecnología de escritura láser directa (direct laser writing) con láser femtosegundo se utilizó para fabricar nanoestructuras por su precisión, simplicidad relativa y alto rendimiento. Morfología y composición de superficie de nanoestructuras preparadas in situ se caracterizaron y su absorción se probó. Para evaluar eficiencia de conversión de voladores con capa nanoestructurada, los voladores se lanzaron usando láseres de pulso único y sus velocidades se obtuvieron por velocimetría Doppler fotónica (PDV). Además, energía cinética y eficiencia de conversión se calcularon y discutieron.

Métodos Experimentales

Preparación de Muestras

Láminas Al de 60 mm × 60 mm × 50 μm (ancho, largo, alto) se usaron como volador de referencia. Primero se pulieron electroquímicamente para lograr baja rugosidad promedio. Las capas de absorción nanoestructuradas se prepararon in situ en superficie de láminas Al por escritura láser directa bajo atmósfera aire. Se usó láser femtosegundo polarizado (FX200-3-GFH, EdgeWave, Alemania) con longitud de onda 1030 nm, duración pulso 600 fs, frecuencia repetición 200 kHz. Potencia láser varió 0-100 W. Fig. 1 ilustra proceso de preparación por escritura láser directa. Nanoestructuras en superficie de láminas Al se controlaron cambiando potencia láser, velocidad exploración y período. Tres muestras con diferentes capas nanoestructuradas (muestras A, B, C) se prepararon. Muestra A irradiada con pulsos 22,60 W, velocidad 1000 mm/s dirección y, período 25 μm. Muestra B con 13,82 W, 5000 mm/s direcciones x e y, período 1 μm. Muestra C con 22,60 W, 8000 mm/s direcciones x e y, período 100 nm.

Métodos de Caracterización

Morfología superficial se caracterizó por microscopía electrónica de barrido (SEM, Ultra 55, Zeiss, Alemania) combinada con análisis dispersivo de rayos X (EDX, Oxford, Reino Unido). Medición reflectividad dependiente de longitud de onda óptica 500-1500 nm se realizó con espectrofotómetro UV-VIS-NIR (SolidSpec-3700, Shimadzu, Japón) incorporando esfera integradora.

La Fig. 2 ilustra configuraciones experimentales para lanzar volador y caracterizar velocidad. Láser Nd:YAG conmutado Q (Innolas SpitLight 400, 1064 nm, 14 ns) se empleó para ablar y lanzar muestras, y sistema PDV midió velocidad. Distribución espacial de energía del haz láser se homogeneizó por óptica difusiva, ya que haz enfocado era altamente no uniforme. Diámetro mancha láser 0,5 mm. En experimento velocimetría, muestras se cortaron en piezas pequeñas y adhirieron a ventana zafiro con capa nanoestructurada pegada a ventana. Cámaras de aceleración acero 0,2 mm espesor, diámetro interno 0,6 mm. Pulsos láser 60 mJ disparados sobre muestras para producir voladores rápidos en cámara. Fibra óptica conectada a PDV colocada en salida cámara para registrar velocidad.

Resultados y Discusión

Microestructura de Capa de Absorción

Fig. 3a-f muestran microestructura de capa nanoestructurada de muestras A, B, C. Como muestra A irradiada en una dirección con velocidad v_x = 0, v_y = 1000 mm/s, su superficie exhibe estructuras semi-periódicas (Fig. 3a). Estructura nano-esférica observada en Fig. 3d. Nano-esferas ~50-200 nm cubiertas con nano-esferas menores <10 nm. Muestras B y C irradiadas en ambas direcciones con velocidades mucho mayores; no se observaron estructuras periódicas evidentes (Fig. 3b, c). Muestra B: muchas partículas escala micrómetros en superficie (Fig. 3b), compuestas de nanoestructuras coliflor (Fig. 3e). Muestra C: irradiada y explorada a velocidad aún mayor, acumulación nanopartículas más rápida y efecto térmico más prominente. Consecuentemente, agregaciones nanosheets y nanopartículas mucho más gruesas en Fig. 3c, f. Múltiples grietas en superficie por alto estrés durante enfriamiento por aporte térmico prominente.

Fig. 3g-i son resultados EDX para muestras A, B, C. EDX mostró presencia de óxidos Al₂O₃ en composición de nanoestructuras. Óxidos formados por oxidación de Al durante escritura láser. Contenidos oxígeno muestras A, B, C: 2,2%, 8,4%, 22,9% atómico. Muestras B y C tuvieron mucho mayor contenido oxígeno que A, mientras potencia láser muestra B (13,82 W) menor que A (22,60 W) y A y C potencia idéntica, indicando que velocidad y período exploración influyen significativamente generación y disipación calor durante escritura láser. Oxidación aumenta con aumento velocidad y disminución período.

Absorción de Luz de Muestras

Fig. 4a muestra apariencias microscópicas ópticas de lámina Al y voladores con capa nanoestructurada. Color lámina Al blanco plateado. Con adición capa nanoestructurada, muestras A, B, C exhiben gris, negro, negro oscuro, indicando más luz absorbida. Reflectancia de lámina Al y muestras A, B, C probada por espectrofotómetro, mediciones repetidas dos veces cada muestra. Fig. 4b muestra espectro reflectancia de lámina Al y volador Al con capa nanoestructurada. Como espesor transmisión luz infrarroja a través metales varía decenas nanómetros a cientos nanómetros, ninguna luz transmitida a través láminas Al 50 μm. Luz dispersa incluida en luz reflejada en medición con esfera integradora. Consecuentemente, absorción calculada 1-R (reflectancia). Diferencias evidentes entre lámina Al y volador con capa nanoestructurada. Reflectancia lámina Al 81,3% a 1064 nm, indicando 81,3% luz incidente reflejada. Reflectancia promedio reducida a 50,5%, 31,5%, 9,8% para A, B, C. Por tanto, absorción luz mejorada efectivamente con capa nanoestructurada preparada por escritura láser directa. Muestra C tiene absorción más fuerte (90,2%) a 1064 nm. Aparte del efecto nanoestructuras, creemos que óxido Al₂O₃ en nanoestructuras también influye tremendamente absorción. Generalmente Al₂O₃ transparente no absorbe luz; sin embargo, en proceso escritura láser, es altamente posible que Al₂O₃ generado y partículas Al formen estructura metal-dieléctrico-metal. Esta estructura se comporta como cavidad F-P que a su vez mejora resonancia plasmon superficie y aumenta absorción. Como concentraciones oxígeno A y B mucho menores que C, implicando partículas Al₂O₃ más ricas en C, resultando resonancia plasmon superficie más mejorada y absorción mucho más fuerte.

Velocidad del Volador

Fig. 5 muestra velocidades volador de lámina Al y muestras A, B, C. Al inicio 30 ns, velocidad aumenta bruscamente. Después, aumenta gradualmente 30-200 ns, y apenas cambia >200 ns. Velocidad terminal muestras A, B, C: 1083, 1173, 1110 m/s, ~1,30, 1,41, 1,33 veces mayor que lámina Al (831 m/s). Resultados confirmaron que adición capa nanoestructurada in situ no solo mejora absorción luz sino también promueve velocidad volador. Cabe mencionar que velocidad muestra B > muestra C aunque C tiene absorción más fuerte. Razón: muestra C tiene mucho mayor contenido Al₂O₃ que B. Enlace iónico y metálico en Al₂O₃ y Al respectivamente. Enlace iónico mucho más fuerte que metálico, haciendo punto vaporización y fusión Al₂O₃ mayores que Al. Puntos fusión/vaporización Al₂O₃: 2054 °C / 2980 °C; Al: 660 °C / 2519 °C. Conductividad térmica: 29,3 W/m·K (Al₂O₃) y 237 W/m·K (Al). Por tanto, es más difícil para Al₂O₃ vaporizarse y formar plasma bajo láser pulsado por su alto punto fusión y baja conductividad térmica vs Al puro. Así, aunque absorción mejora por Al₂O₃ en muestra C, simultáneamente Al₂O₃ consume energía láser sin ayudar impulsar volador.

Energía cinética voladores obtenida por: E = (m_f − m_a)v²/2, donde m_f masa original volador, m_a masa ablatada. Asumimos volador mantiene estado integrado durante vuelo. Masa ablatada evaluada según modelo Lawrence-Trott: m_a = πr²/μ_eff ln(μ_effI₀(1−k)/ε_d), donde r radio volador, μ_eff índice absorción efectivo, I₀ intensidad láser incidente, k índice pérdida energía, ε_d energía vaporización.

Eficiencia conversión volador: ξ = E_f/E_l, donde ξ eficiencia, E_f energía cinética volador, E_l energía láser incidente.

Resultados calculados energía cinética y eficiencia en Fig. 6. Eficiencia muestras A, B, C: 36,8%, 43,2%, 38,6%, es 1,70, 1,99, 1,78 veces lámina Al (21,7%). En este trabajo, al añadir capa nanoestructurada en lámina Al, máxima eficiencia casi se duplica. Resultados resumidos Tabla 1. Por tanto, fabricación in situ de capa nanoestructurada en superficie volador proporciona nuevo método para mejorar significativamente eficiencia conversión LDF.

Conclusiones

Capas de absorción nanoestructuradas preparadas in situ con éxito en superficie láminas Al delgadas por tecnología escritura láser directa. Demostramos que controlando inyección pulso láser, tanto características micro como nanoescala pueden realizarse. Consecuentemente, disminución sustancial reflectividad y mejora significativa absorción pueden realizarse. Preparando in situ capa nano-absorbente en superficie lámina Al, absorción aumenta 18,7% a 90,2%. Aumento absorción resulta en aumento evidente velocidad y energía cinética volador. Conversión energética volador con capa nanoestructurada mejora significativamente vs lámina Al, máxima eficiencia 43,2% (1,99 veces lámina Al 21,7%). Por tanto, capa absorción nanoestructurada Al preparada in situ en superficie volador proporciona nuevo método para aumentar absorción energía láser y mejorar eficiencia conversión LDF. Además, tecnología preparación in situ presente es también prometedora en fotoquímica, sensores, fotodetectores y óptica cuántica.

Disponibilidad de Datos y Materiales

Todos los autores declaran que materiales, datos y protocolos asociados están disponibles para lectores, y todos los datos usados para análisis están incluidos en este artículo.