Recent, Grupul de cercetare Qiu Min la Viitorul Centr de Cercetare a Industriei și Școala de Inginerie de la Universitatea Westlake a dezvoltat cu succes un nou tip de dispozitiv fotonic din carbură de siliciu, care poate reduce eficient problema derivării termice în procesarea laserului de mare putere. Echipa a folosit tehnologia semiconductorului pentru a pregăti un superlens de mare anvergură, de înaltă precizie 4H-SIC, renumit împotriva lentilelor obiective comerciale de înaltă performanță și a obținut focalizarea limitată la difracție. După iradierea cu laser de mare putere pe termen lung, performanța dispozitivului rămâne stabilă și este aproape neafectată de absorbția căldurii. Această realizare reprezintă o descoperire majoră în sistemele laser de mare putere și deschide noi orizonturi pentru aplicarea și îmbunătățirea eficienței lor. Rezultatele cercetării relevante au fost publicate în revista internațională Advanced Materials sub titlul „4H -METALENS SIC: atenuarea efectului de derivă termică în iradierea laser cu putere mare”.
Istoric de cercetare
În procesarea cu laser, focalizarea exactă a fasciculului este crucială. Cu toate acestea, datorită conductivității termice scăzute a materialelor obiective tradiționale obiective, este dificil să disipați căldura într-o manieră în timp util și eficientă sub iradiere laser cu putere mare, ceea ce duce la deformarea sau topirea lentilei din cauza stresului termic, provocând derivă focalizată, Degradarea performanței optice și chiar daune ireversibile. Această problemă de derivă termică nu afectează numai precizia procesării, dar limitează și eficiența producției și fiabilitatea echipamentelor. Deși dispozitivele de răcire pot fi utilizate pentru a atenua problema de disipare a căldurii, crește volumul, greutatea și costul sistemului și reduce integrarea și aplicabilitatea dispozitivului. Prin urmare, există o nevoie urgentă de un nou tip de dispozitiv optic care poate suprima derivă termică în procesarea laserului de mare putere, menținând în același timp performanțe optice ridicate și dimensiuni compacte.
Ca material semiconductor de a treia generație, carbura de siliciu (SIC) are caracteristici excelente, cum ar fi bandgap larg, conductivitate termică ridicată, pierderi scăzute în vizibilă pentru banda aproape infraroșu și o duritate mecanică excelentă. Prezintă un potențial mare în dispozitivele electronice de mare putere, dispozitive de temperatură ridicată și de înaltă frecvență, optoelectronică și optică. Cu mai mult de 20 de ani de experiență în tehnologia de prelucrare a micro-nano, grupul de cercetare Qiu Min a dezvoltat o tehnologie de procesare a nanostructurii cu raport mare, cu aspect mare, care este compatibilă cu producția de masă pentru materiale 4H-SIC. Pe baza gamei largi de capacități de procesare ale acestui proces, echipa a conceput un superlens 4H-SIC cu opertură mare, cu referire la indicatorii optici ai lentilelor obiective comerciale de înaltă performanță. În cele din urmă, echipa de cercetare a obținut cu succes dispozitive superlens de înaltă performanță care pot funcționa stabil și durabile în condiții dure, îndeplinind cerințele stricte ale industriei pentru dispozitivele de focalizare a transmisiei în procesarea laserului de mare putere și promovarea dezvoltării industriilor conexe.
Repere de cercetare
În acest studiu, grupul de cercetare al Qiu Min a conceput și pregătit un superlens omogen 4H-SIC, care a obținut performanțe optice comparabile cu cel al lentilelor obiective comerciale și a redus cu succes efectul de derivă termică sub iradiere laser cu putere mare (așa cum se arată în figura 1) . Materialul selectat 4H-SIC are avantajele unui indice de refracție ridicat, pierderi scăzute la nivel vizibil la un spectral aproape infraroșu, o duritate mecanică excelentă, rezistență chimică și conductivitate termică ridicată. Rezultatele testelor optice arată că Superlenii 4H-SIC au performanțe optice comparabile cu cele ale lentilelor obiective comerciale. În testul de iradiere laser cu putere mare, a fost simulată procesarea continuă pe termen lung în condiții de muncă dure, iar Superlenii 4H-SIC au arătat performanțe stabile, în timp ce scăpați de dependența de sisteme de răcire complexe, deschizând noi perspective de aplicații pentru fotonica SIC Photonics .
Acest superlens 4H-SIC este comparat pe un obiectiv obiectiv comercial de înaltă performanță (mitutoyo 378-822-5), cu o țintă de proiectare de 0. 5 Aperture numerică (NA) și 1 cm. Este demn de remarcat faptul că lățimea diafragmei a Superlensului 4H-SIC este de 1,15 cm, care depășește dimensiunea fasciculului produs de obicei de lasere de mare putere și are o gamă largă de adaptabilitate. Pentru a echilibra proiectarea și prepararea, dispozitivul folosește nanopillare izotrope ca supercelluri (așa cum se arată în figura 2A), cu o înălțime de H=1 µm, pentru a oferi o fază dinamică sub formă de ghiduri de undă trunchiate. Perioada dintre supercell-urile adiacente este p=0. 6 um, la care se poate realiza focalizarea limitată la difracție. Deoarece birefringența 4H-SIC provoacă o ușoară diferență de fază între incidentele polarizate cu X și Y, echipa de cercetare a optimizat fiecare supercell prin minimizarea factorului de calitate. În cele din urmă, se obțin supercelluri de 8 dimensiuni (Figura 2B-D) și fiecare supercell selectat atinge modularea fazelor țintă corespunzătoare la o lungime de undă de 1. 0 60 µm, având în același timp o transmisie mare mai mare de 0,85 și fiind insensibilă la polarizare.
Pregătirea superlensului 4H-SIC adoptă o serie de tehnologii de procesare a semiconductorilor, cum ar fi litografia cu fascicul de electroni, depunerea de vapori fizici și gravura plasmatică cuplată inductiv. Nanopilarele de aspect complet umplute au fost prelucrate pe suprafața substratului de 1,15 × 1,15 cm². Așa cum se arată în figura 3A-E, perioada structurii este de 6 0 0 nm, factorul de umplere este de 0,3 până la 0,78, iar înălțimea structurii este de 1,009 µm măsurată prin scanarea microscopiei electronice și a microscopiei cu forță atomică. Rezultatele caracterizării eșantionului dovedesc excelența tehnologiei de procesare. Această metodă de preparare a suprasolicitării, cu mare precizie, de înaltă precizie, de înaltă calitate, poate fi aplicată pe dispozitive similare pentru a realiza producția în masă.
Performanța optică a superlensului 4H-SIC a fost testată folosind un sistem de imagistică cu microscopie de transmisie auto-construită (așa cum se arată în figura 3F). Sistemul ghidează vertical un laser paralel cu o lungime de undă de 1 0 30 nm la superlenii 4H-SIC și realizează imagistica CCD printr-un sistem de microscop coaxial. Un test de scanare în trepte a fost efectuat în intervalul de ± 35 um pe planul focal și a fost obținută imagistica planului focal și a câmpului focal (așa cum se arată în figura 3G-H). Analiza datelor arată că câmpul focal la o distanță focală de 1 cm prezintă o distribuție lină gaussiană. Distribuția intensității luminii în testul planului focal a arătat o performanță de focalizare excelentă (Figura 3i-J), iar lățimea completă a focalizării a fost de 2,9 µm. Conform rezultatelor testelor, eficiența de focalizare a superlensului 4H-SIC este calculată a fi de 96,31%. Suprafețele incidente și de ieșire ale superlensului 4H-SIC au fost măsurate folosind un contor de putere optică, iar transmiterea dispozitivului a fost măsurată la 0,71. Pe baza acestor rezultate ale testelor optice, Superlenii 4H-SIC prezintă indicatori optici comparabili cu lentilele obiective comerciale și pot obține aceleași capacități de procesare în sistemele de procesare laser.
Pentru a simula condițiile dure de procesare continuă de mare putere în procesarea cu laser, aceeași cale optică ca testul optic a fost utilizată în testul de derivă termică, dar sursa de lumină a fost înlocuită cu un 15 W 1 0 30 nm laser. Modificările temperaturii dispozitivului, a planului focal și a efectului de tăiere al superlensului 4H-SIC și al obiectivului obiectiv comercial au fost testate timp de 1 oră de funcționare continuă. Modificările temperaturii suprafeței dispozitivului măsurate de un imagist termic infraroșu sunt prezentate în figura 4A-B. După 60 de minute de iradiere laser cu putere ridicată, temperatura dispozitivului superlensului 4H-SIC a crescut doar cu 3,2 grade, iar schimbarea temperaturii a fost doar 6% din obiectivul obiectiv (creșterea temperaturii de 54,0 grade). În comparație cu lentilele obiective tradiționale, superlenii 4H-SIC pot atinge o temperatură stabilă după ce a funcționat aproximativ 10 minute, fără componente suplimentare de răcire, iar schimbarea temperaturii este mai mică, iar temperatura de funcționare este mai mică. Această excelentă performanță de gestionare termică demonstrează eficacitatea superlensului 4H-SIC în condiții de muncă dure.
Pentru a reflecta modificările performanței optice a dispozitivului, CCD a fost utilizat pentru a înregistra compensarea planului focal al dispozitivului în decurs de 1 oră (așa cum se arată în figura 4C-D). Rezultatele testelor arată că accentul Superlensului 4H-SIC nu are nicio compensare evidentă, în timp ce accentul obiectivului obiectiv comercial are o compensare evidentă după 30 de minute, iar în sfârșit CCD nu poate fi imaginat din cauza compensării excesive. Lățimea completă a înălțimii și coordonatele centrale ale focalizării sunt obținute prin procesarea imaginilor, iar coordonatele de focalizare sunt comparate cu poziția inițială pentru a obține datele de deplasare în plan. După 1 oră de iradiere laser continuă de mare putere, platforma axei Z este mutată înapoi la distanța de deplasare a planului focal pentru a obține compensarea dispozitivului de-a lungul axei optice. Despăgubirea planului focal al obiectivului obiectiv comercial este de 213 um, în timp ce compensarea planului focal al superlensului 4H-SIC este de doar 13 um, ceea ce indică faptul că are o stabilitate optică excelentă și o consistență în timpul iradierii laser continue de mare putere.
Experimentul de tăiere laser a fost efectuat folosind aceeași cale optică pentru a compara influența derivării termice asupra efectului de procesare în timpul procesului de tăiere laser. Experimentul a selectat napolitane 4H-SIC, care sunt extrem de dificil de prelucrat, ca material tăiat. Calea optică de tăiere a fost calibrată prin testul de scanare în trepte. După calibrare, tăierea a fost efectuată de -a lungul direcției X la fiecare 10 minute și s -au înregistrat modificările efectului de tăiere în decurs de 1 oră. Morfologia de tăiere a secțiunii transversale a plafonului tăiat a fost caracterizată printr-un microscop optic (așa cum se arată în figura 4E-F). Rezultatele au arătat că performanța de tăiere laser a superlensului 4H-SIC a rămas stabilă după 60 de minute de funcționare, în timp ce focalizarea obiectivului obiectiv comercial s-a deplasat semnificativ spre interiorul substratului după 30 de minute. Analiza datelor a constatat că modificarea adâncimii de tăiere a superlensului 4H-SIC după 1 oră de funcționare a fost de doar 11,4% din cea a obiectivului obiectiv comercial. Rezultatele experimentale au verificat testul de compensare a planului focal și au reflectat stabilitatea superioară a dispozitivului a superlensului 4H-SIC în aplicațiile industriale reale.
Rezumat și perspective
Acest studiu a propus un superlens 4H-SIC care poate atenua problema de derivă termică în procesarea laserului de mare putere. Rezultatele experimentale arată că Superlenii 4H-SIC obține o stabilitate termică excelentă și performanțe optice datorită conductivității sale termice excelente. Superlenii reprezintă indicatorii optici ai lentilelor obiective comerciale de înaltă performanță și, pe baza supercolilor nanocolumne, realizează o concentrare eficientă care este insensibilă la polarizare. Problema de pregătire a superlensului 4H-SiC de căptușeală mare a fost rezolvată cu succes prin tehnologia de prelucrare a semiconductorului compatibil cu producția în masă. Experimentele arată că Superlens atinge concentrarea limitată de difracție la distanța focală proiectată și prezintă o stabilitate excelentă sub iradierea laser continuă de mare putere, cu o schimbare de focalizare extrem de mică, care este mult mai bună decât lentilele obiective comerciale. În aplicațiile de tăiere cu laser, morfologia de tăiere folosind acest Superlens se schimbă puțin. Aceste rezultate evidențiază performanța superioară a superlensului 4H-SIC în comparație cu lentilele obiective tradiționale, care necesită de obicei sisteme de răcire complexe pentru a atinge niveluri similare de stabilitate. Așteptând cu nerăbdare, cu cercetări și optimizare suplimentare, se preconizează că Superlenii 4H-SIC vor fi utilizați pe scară largă în sistemele laser de mare putere și să promoveze dezvoltarea domeniilor conexe. Cu designul său compact și performanța optică și termică excelentă, această nouă generație de dispozitive metasurface poate fi aplicată pe domenii precum realitatea augmentată, procesarea aerospațială și laser, rezolvând eficient problemele cheie de management termic în industria actuală.
Chen Boyu și Sun Xiaoyu, studenți de doctorat comun ai Universității Zhejiang și Universitatea West Lake, sunt co-primii autori, și profesorul Qiu Min de la Universitatea West Lake, cercetător asociat Pan Meiyan din Ji Hua Laborator, Dr. Du Kaikai din Mude Micro- Nano (Hangzhou) Technology Co., Ltd. și cercetătorul Zhao Ding de la West Lake University Institute of Optoelectronics sunt autorii co-corespondenți ai lucrării. Lucrările de cercetare au fost susținute de Fundația Națională de Științe Naturale din China și de Fondul de cercetare de bază și aplicat din Provincial Guangdong și a fost, de asemenea, puternic susținut de Viitorul Centr de Cercetare a Industriei și de platforma avansată de prelucrare și testare a micro-nano-ului din West Lake University.
