利用原位纳米吸收层提升激光驱动飞片效率

摘要

利用直接激光书写技术原位制备了三种具有不同纳米结构吸收层的铝飞片，以提高激光驱动飞片组件的能量转换效率。研究了微观结构、光吸收和加速腔内飞片速度。纳米结构吸收层可将1064 nm波长下的反射率从81.3%降至9.8%。在60 mJ激光脉冲照射下，50 μm厚铝飞片末速为831 m/s，而具有原位纳米吸收层的飞片末速高达1113 m/s。结果，纳米结构吸收层飞片的能量转换效率可达普通铝飞片的1.99倍。因此，飞片表面原位制备的纳米结构吸收层为显著提高激光驱动飞片能量转换效率提供了新方法。

引言

激光驱动飞片（LDF）用于引爆炸药，为凝聚态材料的可控短脉冲冲击压缩提供了有前景的途径。在LDF装置中，透明窗口衬底支撑的薄金属箔常由纳秒脉冲激光发射，金属箔的一层作为烧蚀层被烧蚀产生高压等离子体，等离子体驱动金属箔残余部分以数公里/秒速度飞行形成飞片。铝因其良好的韧性和低密度是理想飞片材料。然而，纯铝飞片高反射率导致大部分能量损失，飞片能量转换效率（定义为飞片动能与入射激光能量之比）极低，极大限制了LDF实际应用。

为提高LDF能量转换效率已开展大量工作。考虑到引入入射激光波长下吸收更强的层可减少反射从而提高效率，研究了许多比纯铝反射率低的材料作为吸收层。Labaste等人和Brierley等人研究了多种吸收层材料，发现Ge、Ti、Zn的添加可降低反射并略微提高飞片速度。黑漆单涂层也被用作飞片吸收层，但速度未明显提升。由于这些低反射材料同时作为吸收层和烧蚀层，而相互作用材料效率取决于飞片材料的光学和热力学性质，飞片速度提升有限。

近年来，利用等离子体纳米材料激发局域表面等离子共振（LSPR）提高光吸收在光谱传感器和太阳能转换领域引起广泛关注。铝纳米结构可作为集光系统，因其LSPR覆盖紫外至可见光宽谱段。Zhang等人通过光学模拟发现整合铝颗粒可实现吸收增强40%。Lee等人报道利用铝核壳纳米结构实现稳健等离子增强集光平台，显著提高光化学转化。Fan等人演示了超快激光加工策略在厚金属表面制备高效抗反射微纳结构，在Cu、Ti、W表面分别实现紫外至近红外宽谱段平均反射率4.1%、2.4%、3.2%。但据我们所知，尚无利用纳米结构材料改善LDF激光吸收的研究。

本工作提出在薄铝飞片表面原位制备纳米结构铝吸收层以提高激光吸收和能量转换效率。利用称为直接激光书写的飞秒激光书写技术制备纳米结构，因其精度高、相对简单、成品率高。表征了原位制备纳米结构的表面形貌和成分及其光吸收。为评估纳米结构吸收层飞片的能量转换效率，采用单脉冲激光发射飞片并用光子多普勒测速（PDV）获取飞片速度。进而计算并讨论了飞片动能和能量转换效率。

实验方法

样品制备

参考飞片采用60 mm×60 mm×50 μm（宽、长、高）铝箔。首先电化学抛光获得低表面平均粗糙度。随后在空气气氛中利用直接书写激光在铝箔表面原位制备纳米结构吸收层。直接激光书写采用偏振飞秒激光（FX200-3-GFH，EdgeWave，德国），波长1030 nm，脉冲宽度600 fs，重复频率200 kHz，输出激光功率0–100 W可调。图1示意了直接激光书写制备样品的工艺。通过改变激光辐射功率、扫描速度和周期控制铝箔表面纳米结构。制备了三种不同纳米结构吸收层的样品（A、B、C）。样品A采用22.60 W激光脉冲，y方向扫描速度1000 mm/s，扫描周期25 μm辐照。样品B采用13.82 W激光脉冲，x和y方向扫描速度均为5000 mm/s，扫描周期1 μm。样品C采用22.60 W激光脉冲，x和y方向扫描速度均为8000 mm/s，扫描周期100 nm。

表征方法

样品表面形貌由扫描电镜（SEM，Ultra 55，Zeiss，德国）结合能谱（EDX，Oxford，英国）表征。样品500–1500 nm波长依赖反射率测量采用UV-VIS-NIR分光光度计（SolidSpec-3700，Shimadzu，日本）结合积分球进行。

图2示意了发射飞片和表征飞片速度的实验装置。采用Q开关Nd:YAG激光器（Innolas SpitLight 400，1064 nm波长，14 ns脉冲宽度）烧蚀发射制备样品，采用PDV系统测量飞片速度。激光束空间能量分布经漫射光学元件均匀化，因聚焦光束本身高度不均匀。激光光斑直径0.5 mm。测速实验中，样品切割成小块粘附于蓝宝石窗口，纳米结构层贴近窗口。使用厚度0.2 mm、内径0.6 mm的钢加速腔。60 mJ单脉冲激光照射样品在加速腔内产生高速飞片。连接PDV系统的光纤置于加速腔出口记录飞片速度。

结果与讨论

吸收层微观结构

图3a-f展示样品A、B、C纳米结构吸收层微观结构。样品A单向辐照（v_x=0，v_y=1000 mm/s），表面呈半周期性结构（图3a）。图3d观察到样品A的纳米球结构，直径约50–200 nm的纳米球覆盖直径<10 nm的更小纳米球。样品B、C双向辐照且扫描速度远高于样品A，表面无明显周期性结构（图3b、c）。样品B表面观察到许多微米级颗粒（图3b），颗粒由花椰菜状纳米结构组成（图3e）。样品C辐照扫描速度更高，纳米颗粒累积更快、热效应更显著，观察到更厚的纳米片和纳米颗粒聚集（图3c、f），且因冷却过程中出现较大应力导致表面多处开裂。

图3g-i为样品A、B、C的能谱（EDX）结果。EDX显示纳米结构成分中含Al₂O₃氧化物，因激光书写过程中铝氧化形成。样品A、B、C氧含量分别为2.2、8.4、22.9 at%。显然样品B、C氧含量远高于样品A，而样品B辐照功率（13.82 W）低于样品A（22.60 W），样品A、C辐照功率相同，表明扫描速度和周期显著影响直接激光书写过程中的热产生和耗散。氧化程度随扫描速度增加、扫描周期减小而增加。

样品光吸收

图4a展示铝箔和纳米结构吸收层飞片的光学显微镜外观。铝箔呈银白色。加入纳米结构吸收层后，样品A、B、C分别呈灰色、黑色、深黑色，表明吸收层可吸收更多光。用分光光度计测试铝箔和样品A、B、C反射率，每样品重复测量两次。图4b显示铝箔和纳米结构吸收层铝飞片的反射率谱。因红外光在金属中透射厚度通常为几十至几百纳米，50 μm厚铝箔样品无光透射。积分球测量中散射光计入反射光，故吸收率=1-R（反射率）。铝箔与纳米结构吸收层飞片差异明显。铝箔在1064 nm激光波长处反射率81.3%，即81.3%入射光被反射。样品A、B、C平均反射率分别降至50.5%、31.5%、9.8%。因此直接激光书写制备的纳米结构吸收层可有效增强光吸收。样品C在1064 nm处吸收最强（90.2%）。除纳米结构效应外，纳米结构中呈现的氧化铝也极大影响飞片光吸收。通常Al₂O₃透明不吸光，但直接激光书写过程中生成的Al₂O₃和铝颗粒极可能形成金属-介质-金属结构，表现为F-P腔增强表面等离子共振从而增加光吸收。样品A、B氧含量远低于样品C，暗示样品C中Al₂O₃颗粒更丰富，从而实现更强的表面等离子共振效应和更强吸收。

飞片速度

图5展示铝箔和样品A、B、C的飞片速度。前30 ns飞片速度急剧增加。此后30–200 ns速度逐渐增加，200 ns后基本不变。样品A、B、C末速分别为1083 m/s、1173 m/s、1110 m/s，约为铝箔（831 m/s）的1.30、1.41、1.33倍。结果证实原位纳米结构层不仅增强光吸收还提升飞片速度。值得注意的是样品B末速高于样品C，而样品C吸收最强。原因在于样品C Al₂O₃含量远高于样品B。Al₂O₃和Al分别形成离子键和金属键，离子键远强于金属键，导致Al₂O₃熔点和汽化点高于Al。Al₂O₃熔点2054 °C、汽化点2980 °C；Al熔点660 °C、汽化点2519 °C。此外Al₂O₃热导率29.3 W/m·K，Al为237 W/m·K。因此与纯铝相比，Al₂O₃因高熔点和低热导率更难在入射脉冲激光下汽化形成等离子体。故样品C虽因Al₂O₃增强光吸收，但Al₂O₃同时消耗部分入射激光能量而不助于驱动飞片。

飞片动能可通过以下关系获得：E = (m_f - m_a)v²/2，其中m_f为飞片原始质量，m_a为烧蚀飞片质量。假设飞行过程中飞片保持完整。烧蚀质量可根据Lawrence和Trott模型评估：m_a = (πr²/μ_eff) ln[μ_eff I₀(1-k)/ε_d]，其中r为飞片半径，μ_eff为有效吸收指数，I₀为入射激光强度，k为能量损耗指数，ε_d为汽化能量。

飞片能量转换效率定义为：ξ = E_f/E_l，其中ξ为飞片能量转换效率，E_f为飞片动能，E_l为入射激光能量。

计算得到的飞片动能和能量转换效率见图6。样品A、B、C能量转换效率分别为36.8%、43.2%、38.6%，分别为铝箔（21.7%）的1.70、1.99、1.78倍。本工作中加入纳米结构吸收层后最高能量转换效率近乎翻倍。实验结果汇总见表1。因此，飞片表面原位制备纳米结构吸收层为显著提高LDF能量转换效率提供了新方法。

结论

利用直接激光书写技术成功在薄铝箔表面原位制备了纳米结构吸收层。通过控制激光脉冲注入，实现了微观和纳米尺度结构特征。从而实现光反射率大幅降低和光吸收显著增强。在铝箔表面原位制备纳米吸收层后，光吸收从18.7%提升至90.2%。光吸收增加进而导致激光驱动飞片速度和动能明显增加。纳米结构吸收层飞片能量转换显著优于铝箔，本研究最大能量转换效率达43.2%，为铝箔（21.7%）的1.99倍。因此，飞片表面原位制备的铝纳米结构吸收层为增加激光能量吸收和提高LDF能量转换效率提供了新方法。此外，本工作呈现的原位制备技术在光化学、传感、光探测器和量子光学领域也极具应用前景。