1 引言

尽管激光驱动/推进技术的相关研究已经取得了显著进展,但仍有诸多关键问题值得深入探索和研究。在激光与材料的相互作用过程中,照射到材料上的激光一部分被材料吸收,另一部分则被材料反射和透射^[1]。利用材料吸收的激光能量使靶表层“瞬时”熔化、蒸发、电离形成高能量密度(高温、高压、高密度)状态的等离子体薄层。产生的等离子体薄层随即向迎光面方向快速膨胀,同时通过反冲作用向靶物质“冷”层传入一个反向冲击波。利用产生的冲击波可以直接研究“冷”层的压缩性质,或者可以使“冷”层物质达到高速运动状态等。因此,激光与物质的相互作用实际上就是激光与等离子体的相互作用^[2],这就使得提高材料的激光耦合效率,增强激光驱动/推进的重要做功介质(等离子体)的特性具有重要的研究意义。

为了提高激光能量的吸收效率,研究人员开始使用吸光系数较高的吸收层材料(如C、Mg和Ge等)^[3-6],以有效提高激光与材料的能量耦合效率;同时,研究人员通过改变材料表面的结构^[7],或在材料表面引入金属纳米线结构材料(Ag、Ni、Fe、Co等)来提高材料的激光吸收率^[8-9]。1993年,美国华盛顿州立大学的科研小组在Murnane等^[7]的主持下,研究了提高光转化效率的方法,他们采用的新式靶材(金光栅靶和金团簇靶)提高了对入射光的吸收。实验结果表明,这种靶材对光的吸收可超过90%,强烈的激光耦合产生了高密等离子体,对于能量大于l keV的X射线,激光能量转化为X射线的效率大于1%。2016年,Lanzalone等^[8]以Ag纳米结构靶为研究对象,研究提高激光能量耦合效率的方法。实验结果表明,Ag纳米线结构会对激光烧蚀等离子体起增强作用。反射特性是光学材料非常重要的性质,高永锋等^[10]以及石鑫等^[11]利用时域有限差分法研究了样品表面微结构的光反射特性,分析了结构参数对抗反射特性的影响。本文选择典型的多孔材料阳极氧化铝作为研究对象,研究多孔结构对激光与材料相互作用的影响规律,利用高速摄影和原子发射光谱分别对激光诱导材料等离子体的形态演变和温度进行研究,得到了材料表面微结构特性对激光材料能量耦合效率的影响规律;通过实验测试及光学仿真对阳极氧化铝的反射率进行研究,得到了材料表面微结构特性对激光材料能量耦合效率产生影响的原因。

2 实验装置与方法

2.1 样品制备

采用二次阳极氧化法制备多孔氧化铝膜(AAO),阳极采用纯度为99.999%的抛光铝片,阴极为石墨。一次氧化:先将抛光铝片在温度为2~5 ℃以及氧化电压为195 V的条件下,置于质量分数为1%的H₃PO₄溶液中氧化6 h。去除氧化层:将上步样品在温度为70 ℃的条件下,置于由质量分数为6%的H₃PO₄和质量分数为1.8%的H₂PO₄混合而成的溶液中浸泡,去除表面氧化层。二次氧化:温度、电压与一次氧化实验中的相同,氧化层厚度和孔间距由氧化时间决定。扩孔:在温度为40 ℃的条件下,将样品置于质量分数为5%的H₃PO₄溶液中,氧化孔径与扩孔时间有关。图1为AAO的结构示意图。

图 1. AAO结构示意图。(a)三维结构;(b)顶部视图;(c)横截面视图

Fig. 1. Structure schematics of AAO. (a) Three-dimensional structure; (b) top view; (c) cross-sectional view

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2.2 激光诱导等离子体形态演变及电子温度

实验采用LS-2147型倍频的Nd∶YAG脉冲激光器(LOTIS TII),波长为1064 nm,脉宽为15 ns,最大脉冲能量为800 mJ。光谱仪型号为DH720-18F-03,Andor ICCD,生产商为Andor Technology PLC公司,产地为英国;高速摄像机型号为FASTCAM SA-X2,生产商为Photron公司,产地为日本。测试系统见图2所示。

图 2. 等离子体形态演变及电子温度测试系统

Fig. 2. Plasma morphology evolution and electronic temperature test system

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2.3 AAO光反射率测试

利用AvaSpec-NIR256-1.7型近红外光谱仪(生产商为Avantes公司,产地为荷兰)对样品表面的光反射率进行测量,实验系统结构示意图如图3所示。

图 3. 反射率测试实验装置示意图

Fig. 3. Schematic of experimental setup for reflectivity test

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3 实验结果与仿真分析

3.1 样品表征

采用二次阳极氧化法制备孔间距T为450 nm,氧化层厚度H为550 nm,孔径D分别为200,300,400 nm的3种AAO样品,这三种样品的编号分别为SP450-200-550、SP450-300-550、SP450-400-550。AAO样品表面及断面的扫描电子显微镜(SEM)图如图4所示。

由图4可见:AAO样品表面呈现出规则的六边形晶胞单元分布,有序孔占据晶胞单元的中心位置;随着孔径增加,晶胞表面的凹坑逐渐消失。

图 4. 样品表面及断面的SEM图。(a) SP450-200-550断面;(b) SP450-300-550断面;(c) SP450-400-550断面;(d) SP450-200-550表面;(e) SP450-300-550表面;(f) SP450-400-550表面;(g)抛光的铝片

Fig. 4. SEM images of sample surface and cross-section. (a) Cross-section of SP450-200-550; (b) cross-section of SP450-300-550; (c) cross-section of SP450-400-550; (d) surface of SP450-200-550; (e) surface of SP450-300-550; (f) surface of SP450-400-550; (g) polished aluminum sheet

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3.2 激光诱导等离子体形态演变及电子温度分析

图5为激光诱导等离子体羽在拍摄频率为2×10⁵ frame/s下的高速摄像图。由图5可以看出,等离子体先从一点长到最大,之后逐渐湮灭:0~5 μs这个时间段是等离子体的成长过程,较为迅速;5 μs之后是等离子体逐渐湮灭的过程。观察图5中的4组图片可以发现,从上到下,4组样品等离子体的强度和尺寸越来越小,30 μs之后,等离子体的强度和尺寸明显减小。

图 5. 激光诱导等离子体羽的高速摄像图。(a) SP450-200-550;(b) SP450-300-550;(c) SP450-400-550;(d)抛光的铝片

Fig. 5. High speed camera images of laser-induced plasma plume. (a) SP450-200-550; (b) SP450-300-550; (c) SP450-400-550; (d) polished aluminum sheet

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当激光脉冲能量为230 mJ时,延迟时间在0.3~2.5 μs范围内,样品SP450-200-550发射光谱随延迟时间的变化见图6(a)。可见:当波长为200~550 nm时,AlⅠ的特征峰位于308.216,309.271,394.401,396.152 nm处;延迟时间较小时,激光等离子体包含大量的颗粒、团簇、原子、离子和电子,高能电子在密集的粒子环境中快速运动,形成较强的连续辐射;随着延迟时间增加,连续谱线减弱,原子谱线和离子谱线越来越清晰。

由图6(a)所示的发射光谱随延迟时间的变化曲线可以看出,样品SP450-200-550的光谱特征是一连续谱上叠加着一系列独立的谱线(原子、离子谱)。连续谱主要来源于热电子的轫致辐射和电子-离子的复合辐射。波长为1064 nm的激光光子的能量为1.168 eV,该能量小于上述铝的4条原子谱线所需的激发能(具体参数见表1),所以几乎不可能通过激光直接电离产生原子谱线和离子谱线,它们是通过电子与粒子的碰撞传能、电子与离子的复合而激发的^[12]。

图 6. 发射光谱及谱线强度随着延迟时间的变化。(a)发射光谱;(b)谱线强度

Fig. 6. Emission spectra and line intensity as a function of delay time. (a) Emission spectra; (b) line intensity

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当激光脉冲能量为230 mJ时,延迟时间在0.3~2.5 μs范围内,4种样品在396.152 nm特征波长处的谱线强度随着延迟时间的变化如图6(b)所示。由图6(b)可知:随着延迟时间增加,4种样品在396.152 nm特征波长处的谱线强度总体呈下降趋势;在相同的延迟时间下,AAO多孔层的孔径越小,谱线强度越大。

用Boltzmann图谱法计算4种样品等离子体的电子温度,计算选用的4条铝原子谱线分别为Al I 308. 216 nm、Al I 309.271 nm、Al I 394.401 nm和Al I 396.152 nm,相关光谱物理参数^[13-15]见表1,其中g为谱线激发态的统计权重,A为谱线的跃迁概率。

以AlⅠ396.152 nm谱线作为基准,绘制出谱线相对强度与对应谱线跃迁上能级能量的Boltzmann图,由最小二乘法拟合得到斜率。图7中右下图为样品SP450-200-550的发射光谱在230 mJ激光脉冲能量、0.9 μs延迟时间下的Boltzmann图,斜率为-1.114,电子温度为10407.9 K。

图 7. 等离子体电子温度随延迟时间的变化

Fig. 7. Variation of plasma electron temperature as a function of delay time

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当激光能量一定时,在不同的延迟时间下绘制类似于图7中谱线相对强度与激发能量的Boltzmann图,可得到电子温度与光谱延迟时间的关系。当激光能量为230 mJ时,光谱采集延迟时间在0.3~2.3 μs之间,每个条件下测试3次,得到4种样品电子温度与光谱采集延迟时间之间的关系,如图7所示。

由图7可知,当激光脉冲能量一定时,几种样品等离子体的电子温度都随延迟时间增大而先升高后降低,其中:λ表示谱线的中心波长;I表示谱线的相对强度。在延迟时间约为0.7 μs时,3种AAO样品等离子体的电子温度达到最大,抛光铝片的等离子体电子温度在延迟时间为0.9 μs左右时达到最高。造成上述最高电子温度的延迟时间不同的原因可能为:激光作用后,AAO有上层多孔层的约束,激发的电子可以更快地达到最大温度;在相同的延迟时间下,AAO样品多孔层的孔径越小,等离子体的电子温度越高,且3种AAO样品的等离子体电子温度明显高于抛光铝片。

3.3 反射率测试结果与仿真分析

测试了3种不同孔径尺寸的AAO样品的反射率,对比样片为抛光铝片。如图8(b)所示:在近红外光波段,3种AAO样品的反射率都随着波长的增大而增加;在波长为1064 nm处,AAO多孔层的孔径越大,反射率越高,光的吸收越低。

图 8. 周期性结构AAO的反射率测试与仿真图。(a) FDTD仿真示意图;(b)反射率实验结果;(c)反射率仿真结果;(d) y-z截面电场强度监测图

Fig. 8. Measured and simulated reflectivity of AAO with periodic structure. (a) Schematics of FDTD simulation; (b) measured reflectivity; (c) simulated reflectivity; (d) electric field intensity monitoring maps of y-z cross-section

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使用基于时域有限差分法(FDTD)的FDTD Solutions软件分析样品微结构对光反射率的影响,在进行计算机仿真时,将x-y平面四周设置为周期性边界条件(PBC),同时在z轴两端设置完美匹配层(PML)。在微结构阵列上方一定高度处设置入射光源,并在光源之后一定距离位置处设置监视器,用以观察反射波的电磁场分布、坡印廷矢量以及功率等,图8(a)为AAO周期性结构FDTD仿真示意图。从图8(b)和图8(c)可以看出,反射仿真规律与实验结果比较吻合,并且对无孔氧化铝及更小孔径的样品进行模拟后发现,孔径小到一定程度后,多孔结构的作用有所减弱,反射率会增大,这也与实际情况符合。如图8(d)所示,在y-z界面处设置电场强度监测器后可以发现:在铝基底与多孔氧化膜截面处的电场强度明显增强,这是由于光从样品上方入射到AAO内部后,在AAO孔底部半球环内部及上部经过多次反射及上部膜层约束,产生了表面等离子体激元增强,促进了对光的吸收;随着孔径增大,半球环厚度减小,上部的氧化层厚度减小,光在其中的反射次数减少,从而使得反射率越来越大。这与文献[ 16]中提到的铝纳米坑结构孔径越大,反射率越小的结论相反,这表明反射率与材料本身有关。

4 结论

采用二次阳极氧化法制备了AAO多孔材料,采用SEM对AAO结构进行了表征;基于高速摄影图、原子发射光谱分别对激光诱导材料等离子体的形态演变和温度进行了研究;通过吸收光谱及FDTD仿真研究了AAO样品微结构对反射率的影响规律,得到以下结论:1)AAO样品多孔层中的孔呈周期性分布,孔径大小一致;2)在一定的孔径范围内,随着AAO孔径减小,等离子体出现增强的趋势,等离子体衰减速度变慢,且慢于抛光铝片的,光谱谱线强度变大,等离子体电子温度升高,且AAO等离子体电子温度比抛光铝片要高2000~3500 K;3)在一定的孔径范围内,AAO孔径变小,光在样品内部的反射次数增多,反射率降低,光的吸收率增大,有利于增强等离子体,这与实验测得的AAO等离子体增强的结果相吻合,孔径小到一定程度后,多孔结构的作用有所减弱,反射率会提高,符合实际情况。本研究结果为拓展微结构以及高比表面积材料在激光等离子体方面的应用提供了参考,为提升激光致等离子体的能量转化效率提供了一种新途径,在激光烧蚀技术、激光驱动等提升激光耦合效率方面具有重要意义。