Нещодавно дослідницька група QIU Min у майбутньому дослідницькому центрі промисловості та Інженерія в університеті Вестлейк успішно розробила новий тип фотонічного пристрою карбіду кремнію, який може ефективно зменшити проблему теплового дрейфу в лазерній обробці високої потужності. Команда використовувала напівпровідникову технологію для підготовки великих суперленів з високою точністю 4H-SIC, орієнтованою на високоефективні комерційні об'єктивні лінзи та досягнута дифракційною, обмеженою фокусуванням. Після тривалого лазерного опромінення високої потужності продуктивність пристрою залишається стабільною і майже не впливає на поглинання тепла. Це досягнення є основним проривом у потужних лазерних системах та відкриває нові горизонти для їх застосування та підвищення ефективності. Відповідні результати досліджень були опубліковані в Міжнародному журналі Advanced Materials під заголовком "4H -SIC Metalens: пом'якшення ефекту теплового дрейфу при лазерному опроміненні з високою потужністю".
Дослідження
При лазерній обробці точне фокусування променя має вирішальне значення. Однак, завдяки низькій теплопровідності традиційних об'єктивних матеріалів об'єктива, важко своєчасно та ефективно розсіювати тепло при високому потужному лазерному опроміненні, що призводить до деформації або плавлення об'єктива через термічне напруження, що спричиняє дрейф фокусування, Деградація оптичних показників і навіть незворотна шкода. Ця проблема теплового дрейфу не тільки впливає на точність обробки, але й обмежує ефективність виробництва та надійність обладнання. Хоча пристрої охолодження можуть бути використані для полегшення проблеми розсіювання тепла, це збільшує об'єм, вагу та вартість системи та зменшує інтеграцію та застосовність пристрою. Тому існує нагальна потреба в новому типі оптичного пристрою, який може придушити термічний дрейф при високій обробці потужності, зберігаючи високі оптичні показники та компактні розміри.
Як напівпровідниковий матеріал третього покоління, карбід кремнію (SIC) має чудові характеристики, такі як широка пропуск, висока теплопровідність, низька втрата видимої до інфрачервоної смуги та відмінна механічна твердість. Він демонструє великий потенціал у високомобільних електронних пристроях, високотемпературних та високочастотних пристроях, оптоелектроніці та оптиці. Маючи більш ніж 20-річний досвід роботи в галузі мікро-нано, дослідницька група Qiu Min розробила технологію обробки наноструктури з високою аспектом, яка сумісна з масовим виробництвом для матеріалів 4H-SIC. Виходячи з широкого спектру можливостей обробки цього процесу, команда розробила суперлени з великою апаратурою 4H-SIC з посиланням на оптичні показники високоефективних комерційних об'єктивних лінз. Зрештою, дослідницька група успішно досягла високопродуктивних пристроїв Superlens, які можуть працювати стабільно та довговічно в суворих умовах, відповідаючи суворим вимогам галузі щодо пристроїв, що фокусують передачу, у потужній лазерній переробці та сприяння розвитку пов'язаних промислових виробів.
Основні моменти дослідження
У цьому дослідженні дослідницька група Qiu Min розробила та підготувала однорідні 4-го-SIC Superlens, які досягли оптичної продуктивності, порівнянної з комерційними об'єктивними лінзами, і успішно знизила ефект теплового дрейфу при потужному лазерному опроміненні (як показано на рисунку 1) . Вибраний 4-годинний матеріал має переваги високого показника заломлення, низькі втрати видимого до інфрачервоного спектрального діапазону, відмінної механічної твердості, хімічної стійкості та високої теплопровідності. Результати оптичних випробувань показують, що 4H-SIC Superlens має оптичні показники, порівнянні з результатами комерційних об'єктивних лінз. У тесті з високою потужністю лазерного опромінення тривала безперервна обробка в різких умовах праці була змодельована, а 4H-SIC Superlen .
Цей 4H-SIC Superlens орієнтований проти високоефективної комерційної об'єктиви (Mitutoyo 378-822-5), з цільовою конструкцією 0. Варто зазначити, що ширина діафрагми 4H-SIC Superlens становить 1,15 см, що перевищує розмір променя, який зазвичай виробляється лазерами потужної потужності і має широкий спектр адаптивності. Для того, щоб збалансувати проект та підготовку, пристрій використовує ізотропні нанопіляри як суперкліти (як показано на малюнку 2А), з висотою H=1 мкм, щоб забезпечити динамічну фазу у вигляді усічених хвильових можливостей. Період між сусідніми суперклітинами-P=0. 6 мкм, при якому можна досягти обмеженого дифракцією фокусування. Оскільки розвороту 4H-SIC викликає незначну різницю фаз між X- та Y-поляризованими випадками, дослідницька група оптимізувала кожну суперклітинну, мінімізуючи коефіцієнт якості. Нарешті, отримують суперкліти 8 розмірів (мал. 2В-D), і кожна вибрана Supercell досягає відповідної модуляції цільової фази на довжині хвилі 1. 0 60 мкм, при цьому високий пропуск більше 0,85 і нечутливий до поляризації.
Підготовка 4H-SIC Superlens приймає низку технологій напівпровідникової обробки, таких як літографія електронного променя, фізичне осадження пари та індуктивно пов'язане плазмовим травленням. Повністю заповнене високе співвідношення сторін нанопіларів обробляли на поверхні підкладки 1,15 × 1,15 см². Як показано на малюнку 3A-E, структуровий період становить 6 0 0 нм, коефіцієнт заповнення становить 0,3 до 0,78, а висота структури-1,009 мкм, виміряна за допомогою скануючої електронної мікроскопії та атомної сили. Результати характеристики вибірки доводять досконалість технології обробки. Цей високоточний, високоточний, високопоставлений метод підготовки суперповерхової поверхні може бути застосований до подібних пристроїв для досягнення масового виробництва.
Оптичні показники 4H-SIC Superlens були протестовані за допомогою самостійної системи мікроскопії передачі (як показано на малюнку 3F). Система вертикально керує паралельним лазером з довжиною хвилі 1 0 30 нм до 4H-SIC Superlens і реалізує зображення CCD через коаксіальну систему мікроскопа. Тест на сканування було проведено в межах ± 35 мкм на фокусній площині, а зображення фокусної площини та фокусного поля було отримано (як показано на малюнку 3G-H). Аналіз даних показує, що фокусне поле з фокусною відстані 1 см представляє плавний розподіл Гаусса. Розподіл інтенсивності світла в тесті фокусної площини показав відмінну фокусувальну продуктивність (мал. 3-J), а повна ширина фокусу на півтора висоти становила 2,9 мкм. Відповідно до результатів тестів, ефективність фокусування 4H-SIC Superlens обчислюється на 96,31%. Опаливні та вихідні поверхні 4H-SIC Superlens вимірювали за допомогою оптичного вимірювача потужності, а передачу пристрою вимірювали до 0,71. Виходячи з цих оптичних результатів випробувань, 4H-SIC Superlens демонструє оптичні показники, порівнянні з комерційними об'єктивними лінзами, і можуть досягти однакових можливостей обробки в системах обробки лазерної обробки.
Для імітації суворих потужних умов безперервної обробки при лазерній обробці той самий оптичний шлях, що і оптичний тест, використовувався в тесті теплового дрейфу, але джерело світла було замінено на 15 Вт 1 0 30 нм лазер. Зміни температури пристрою, фокусної площини та різання ефекту 4H-SIC та комерційних об'єктивних об'єктива перевіряли протягом 1 години безперервної роботи. Зміни температури поверхні пристрою, виміряна інфрачервоним тепловим зображенням, показані на малюнку 4A-B. Через 60 хвилин потужного лазерного опромінення температура пристрою суперленів 4H-SIC зросла лише на 3,2 градуса, а зміна температури становила лише 6% від об'єктива (підвищення температури на 54,0 градусів). Порівняно з традиційними об'єктивними лінзами, 4H-SIC Superlens може досягти стабільної температури після роботи приблизно на 10 хвилин без додаткових компонентів охолодження, а зміна температури менша, а робоча температура нижча. Ця відмінна продуктивність термічного управління демонструє ефективність 4H-SIC Superlens в суворих умовах праці.
Для відображення змін в оптичній продуктивності пристрою, CCD використовувався для запису зміщення фокусної площини пристрою протягом 1 години (як показано на малюнку 4C-D). Результати випробувань показують, що фокус 4H-SIC Superlens не має очевидного зміщення, тоді як фокус комерційної об'єктиви має очевидне зміщення через 30 хвилин, і нарешті КПК не може бути зроблений через надмірне зміщення. Половина висоти повної ширини та центральні координати фокусу отримують шляхом обробки зображень, а координати фокусу порівнюються з початковим положенням для отримання даних про переміщення площин. Через 1 годину безперервного лазерного опромінення платформа Z-осі переміщується назад до відстані переміщення фокусної площини, щоб отримати зміщення пристрою вздовж оптичної осі. Компанія фокусної площини компенсації комерційної об'єктивної об'єктиви становить 213 мкм, тоді як зміщення фокусної площини 4H-SIC Superlens становить лише 13 мкм, що свідчить про те, що він має чудову оптичну стійкість та послідовність під час безперервного лазерного опромінення.
Експеримент з лазерним різанням проводили за допомогою одного і того ж оптичного шляху для порівняння впливу теплового дрейфу на ефект обробки під час фактичного процесу розрізання лазера. Експеримент вибраний 4-годинний вафлі, які надзвичайно важко обробити, як зрізаний матеріал. Оптичний шлях різання калібровано за допомогою тесту на сканування кроку. Після калібрування різання проводили вздовж напрямку X кожні 10 хвилин, а зміна ефекту різання протягом 1 години була записана. Морфологія різання поперечного перерізу вирізаної пластини характеризувалася оптичним мікроскопом (як показано на малюнку 4e-F). Результати показали, що продуктивність лазерного різання 4H-SIC Superlens залишається стабільною після 60 хвилин роботи, тоді як фокус комерційної об'єктивної об'єктиви значно змістився на внутрішню частину підкладки через 30 хвилин. Аналіз даних виявив, що зміна глибини різання 4H-SIC Superlens після 1 години роботи становила лише 11,4% від комерційної об'єктиви. Експериментальні результати перевірили тест зміщення фокусної площини та відобразили стабільність вищої пристрою 4H-SIC Superlens у фактичних промислових програмах.
Короткий зміст та світогляд
У цьому дослідженні запропоновано 4H-SIC Superlens, які можуть полегшити проблему теплового дрейфу при потужній лазерній обробці. Експериментальні результати показують, що 4H-SIC Superlens досягає чудової термічної стійкості та оптичних показників завдяки своїй відмінній теплопровідності. Superlens орієнтується на оптичні показники високоефективних комерційних об'єктивних лінз, а на основі наноколаційних суперклітин, він досягає ефективного фокусування, нечутливого до поляризації. Проблема підготовки великої апірації 4H-SIC Superlens була успішно вирішена за допомогою технології напівпровідникової обробки, сумісної з масовим виробництвом. Експерименти показують, що Superlens досягає обмеженого дифракції фокусування на розробленій фокусній відстані і демонструє відмінну стабільність при безперервному потужному лазерному опроміненні, з надзвичайно невеликим зміщенням фокусу, що набагато краще, ніж комерційні об'єктивні лінзи. У застосуванні лазерного різання морфологія різання з використанням цього суперлену мало змінюється. Ці результати підкреслюють чудові показники 4H-SIC Superlens порівняно з традиційними об'єктивними лінзами, які зазвичай потребують складних систем охолодження для досягнення подібних рівнів стабільності. З нетерпінням чекаючи, що при подальших дослідженнях та оптимізації очікується, що 4H-SIC Superlens широко використовується в лазерних системах високої потужності та сприятиме розвитку суміжних сфер. Завдяки своєму компактному дизайну та відмінній оптичній та теплової продуктивності, це нове покоління пристроїв Metasurface може бути застосовано до таких сфер, як розширена реальність, аерокосмічна та лазерна обробка, ефективно вирішуючи ключові проблеми теплового управління в поточній галузі.
Чен Бойю та Сун Сяою, спільні докторські студенти університету Чжецзян та Університет Вест-Лейк, є співавторами, а також професором Циу Мін із Університету Вест-Лейк, асоційованим дослідником Пан Мейян з лабораторії Джі Хуа, доктор Дю Кайкай з Муда Мікро- Nano (Hangzhou) Technology Co., Ltd. та дослідник Чжао Дін з Інституту оптоелектроніки Університету Вест-Лейк є авторами статті. Дослідницька робота була підтримана Національним природним науковим фондом Китаю та провінційним та застосованим базовим дослідницьким фондом провінції Гуандун, а також була наполегливо підтримується майбутнім дослідницьким центром промисловості та передовою платформою переробки та тестування університету Вест-Лейк.
