Nedavno je istraživačka skupina Qiu Mina u istraživačkom centru Budući industriji i Inženjerskom fakultetu na Sveučilištu Westlake uspješno razvila novu vrstu fotonskog uređaja silicij-karbida koji može učinkovito smanjiti problem toplinskog odljeva u laserskoj obradi velike snage. Tim je upotrijebio poluvodičku tehnologiju za pripremu velike, visoko precizne 4H-SIC-ove superlene, uspoređene s komercijalnim objektivnim lećama visokih performansi i postigli fokusiranje ograničeno na difrakciju. Nakon dugotrajnog laserskog zračenja velike snage, performanse uređaja ostaju stabilne i gotovo ne utječe apsorpcija topline. Ovo postignuće predstavlja veliki proboj u laserskim sustavima velike snage i otvara nove horizonte za njihovu primjenu i poboljšanje učinkovitosti. Relevantni rezultati istraživanja objavljeni su u Međunarodnom časopisu Advanced Materials pod naslovom "4H -SIC Metalens: Ublažavanje efekta toplinskog nagiba u laserskom zračenju velike snage".
Istraživačka pozadina
U laserskoj obradi presudno je točno fokusiranje snopa. Međutim, zbog niske toplinske vodljivosti tradicionalnih objektivnih materijala za leće, teško je rastaviti toplinu na pravovremeni i učinkovit način pod zračenjem lasera velike snage, što rezultira deformacijom ili topljenjem leće zbog toplinskog stresa, uzrokujući pomicanje fokusa, Degradacija optičkih performansi, pa čak i nepovratna oštećenja. Ovaj problem toplinskog odljeva ne samo da utječe na točnost obrade, već također ograničava učinkovitost proizvodnje i pouzdanost opreme. Iako se uređaji za hlađenje mogu koristiti za ublažavanje problema s rasipanjem topline, povećava volumen, težinu i troškove sustava i smanjuje integraciju i primjenjivost uređaja. Stoga postoji hitna potreba za novom vrstom optičkog uređaja koji može suzbiti toplinski odmor u laserskoj obradi velike snage uz održavanje visokih optičkih performansi i kompaktne veličine.
Kao poluvodički materijal treće generacije, silikonski karbid (SIC) ima izvrsne karakteristike kao što su široki pojas, visoka toplinska vodljivost, nizak gubitak u vidljivom do blizu infracrvenom pojasu i izvrsne mehaničke tvrdoće. Pokazuje veliki potencijal u elektroničkim uređajima velike snage, visokotemperaturnim i visokofrekventnim uređajima, optoelektroniku i optiku. S više od 20 godina iskustva u tehnologiji mikro-nano prerade, istraživačka skupina QIU Min razvila je tehnologiju prerade nanostrukture s velikim aspektom, koja je kompatibilna s masovnom proizvodnjom za 4H-SIC materijale. Na temelju širokog raspona mogućnosti obrade ovog procesa, tim je dizajnirao 4H-SIC Superlens s velikom aperturom s obzirom na optičke pokazatelje komercijalnih objektivnih objektiva visokih performansi. Na kraju, istraživački tim uspješno je postigao Superlensove uređaje s visokim performansama koji mogu raditi stabilno i izdržljivi pod teškim uvjetima, ispunjavajući stroge zahtjeve industrije za uređaje za fokusiranje prijenosa u laserskoj obradi velike snage i promičući razvoj povezanih industrija.
Istraživanja
U ovom istraživanju, istraživačka skupina Qiu Mina dizajnirala je i pripremila homogenu 4H-SIC Superlens, koja je postigla optičke performanse usporedive s onima komercijalnih objektivnih leća, te je uspješno smanjila efekt toplinskog odljeva pod zračenjem lasera velike snage (kao što je prikazano na slici 1) . Odabrani 4H-SIC materijal ima prednosti visokog indeksa loma, niskog gubitka u vidljivom do blizu infracrvenom spektralnom rasponu, izvrsnoj mehaničkoj tvrdoći, kemijskom otpornosti i visokoj toplinskoj vodljivosti. Rezultati optičkog ispitivanja pokazuju da 4H-SIC Superlens ima optičke performanse usporedive s onim komercijalnih objektivnih leća. U testu laserskog zračenja velike snage, simulirana je dugotrajna kontinuirana obrada u teškim radnim uvjetima, a 4H-SIC Superlens pokazao je stabilne performanse, dok su se riješili ovisnosti o složenim sustavima hlađenja, otvarajući nove izglede za aplikaciju za Sic Photonics .
Ovaj 4H-SIC Superlens uspoređen je s komercijalnim objektivom visokih performansi (mitutoyo 378-822-5), s ciljem dizajna 0. 5 Numerički otvor (NA) i 1 cm žarišnu duljinu. Vrijedno je napomenuti da je širina otvora 4H-SIC superlena 1,15 cm, što premašuje veličinu snopa koji obično proizvode laseri velike snage i ima širok raspon prilagodljivosti. Da bi uravnotežio dizajn i pripremu, uređaj koristi izotropne nanopilare kao supercelije (kao što je prikazano na slici 2A), s visinom od h=1 µm, kako bi pružio dinamičku fazu u obliku skraćenih valovoda. Razdoblje između susjednih supercelija je P {= 0. 6 µm, na kojem se može postići fokusiranje ograničeno difrakcijom. Budući da je birefringent 4H-SIC uzrokuje malu faznu razliku između incidenata X- i Y-polariziranih, istraživački tim optimizirao je svaku superceliju minimizirajući faktor kvalitete. Konačno, dobivaju se supercelije od 8 veličina (slika 2b-d), a svaka odabrana supercell postiže odgovarajuću modulaciju ciljane faze na valnoj duljini od 1. 0 60 µm, dok ima visoku prijenosnost veću od 0,85 i je neosjetljiva do polarizacije.
Priprema 4H-SIC Superlens prihvaća niz tehnologija za obradu poluvodiča, poput litografije elektrona, fizičkog taloženja pare i induktivno povezanog jetkanja u plazmi. Potpuno ispunjene nanopile visokog omjera obrađene su na površini supstrata od 1,15 × 1,15 cm². Kao što je prikazano na slici 3A-E, razdoblje strukture je 6 {0 0 nm, faktor punjenja je 0,3 do 0,78, a visina strukture je 1,009 µm izmjerena skenirajućim elektronskom mikroskopijom i mikroskopijom atomske sile. Rezultati karakterizacije uzorka dokazuju izvrsnost tehnologije obrade. Ova velika precizna, visoko precizna, visokog aspekta, metoda pripreme SuperSurface može se primijeniti na slične uređaje kako bi se postigla masovna proizvodnja.
Optičke performanse 4H-SIC superlena testirane su korištenjem samo-izgrađenog sustava mikroskopskog sustava prijenosa (kao što je prikazano na slici 3F). Sustav vertikalno usmjerava paralelni laser s valnom duljinom od 1 0 30 nm do 4H-SIC Superlens i ostvaruje CCD snimanje kroz koaksijalni mikroskopski sustav. Proveden je test skeniranja u rasponu od ± 35 µm na žarišnoj ravnini, a dobiveno je snimanje žarišne ravnine i žarišta (kao što je prikazano na slici 3G-H). Analiza podataka pokazuje da žarišno polje u žarišnoj duljini od 1 cm predstavlja glatku Gaussovu raspodjelu. Raspodjela intenziteta svjetlosti u testu žarišne ravnine pokazala je izvrsne performanse fokusiranja (slika 3i-j), a poluvremena poluga u fokusu bila je 2,9 µm. Prema rezultatima ispitivanja, učinkovitost fokusiranja 4H-SIC superlensa izračunava se na 96,31%. Incidentne i izlazne površine 4H-SIC superlena izmjerene su optičkim mjeračem snage, a prijenos uređaja izmjeren je na 0,71. Na temelju ovih rezultata optičkih ispitivanja, 4H-SIC Superlens pokazuje optičke pokazatelje usporedive s komercijalnim objektivnim lećama i mogu postići iste mogućnosti obrade u laserskim sustavima za obradu.
Da bi se simulirale oštre uvjete kontinuirane obrade velike snage u laserskoj obradi, isti optički put kao i optički test korišten je u testu toplinskog pomicanja, ali izvor svjetlosti zamijenjen je s 15 W 1 0 30 nm laser. Promjene temperature uređaja, žarišne ravnine i efekta rezanja 4H-SIC-ovih superlena i komercijalnog objektiva testirane su 1 sat kontinuiranog rada. Promjene temperature površine uređaja izmjerene infracrvenim termičkim slikama prikazane su na slici 4A-B. Nakon 60 minuta laserskog zračenja velike snage, temperatura uređaja 4H-SIC superlena porasla je samo za 3,2 stupnja, a promjena temperature bila je samo 6% objektivne leće (porast temperature od 54,0 stupnjeva). U usporedbi s tradicionalnim objektivnim lećama, 4H-SIC Superlens može dostići stabilnu temperaturu nakon trčanja oko 10 minuta bez dodatnih komponenti hlađenja, a promjena temperature je manja, a radna temperatura niža. Ova izvrsna performansi toplinskog upravljanja pokazuje učinkovitost 4H-SIC superlena u teškim radnim uvjetima.
Kako bi se odražavale promjene u optičkim performansama uređaja, CCD je korišten za snimanje pomaka žarišne ravnine uređaja u roku od 1 sata (kao što je prikazano na slici 4C-D). Rezultati ispitivanja pokazuju da fokus 4H-SIC Superlensa nema očigledan pomak, dok fokus komercijalnog objektiva ima očigledan pomak nakon 30 minuta, a na kraju se CCD ne može zamisliti zbog pretjeranog pomaka. Koordinate pune visine i središnje koordinate fokusa dobivaju se obradom slike, a koordinate fokusiranja uspoređuju se s početnim položajem za dobivanje podataka o ravnini pomaka. Nakon 1 sata kontinuiranog laserskog zračenja velike snage, platforma Z-osi se premješta na udaljenost pomicanja žarišne ravnine kako bi se dobila pomak uređaja duž optičke osi. Pomak žarišne ravnine komercijalnog objektiva je 213 µm, dok je nadoknada žarišne ravnine 4H-SIC superlena samo 13 µm, što ukazuje da ima izvrsnu optičku stabilnost i konzistenciju tijekom kontinuiranog laserskog zračenja velike snage.
Eksperiment laserskog rezanja proveden je istim optičkim stazom za usporedbu utjecaja toplinskog nagiba na efekt obrade tijekom stvarnog postupka rezanja lasera. Eksperiment je odabrao 4H-SIC vafre, koje je izuzetno teško obraditi, kao rezani materijal. Optički put rezanja kalibriran je testom skeniranja koraka. Nakon umjeravanja, rezanje je izvedeno duž smjera X svakih 10 minuta, a zabilježene su promjene u efektu rezanja u roku od 1 sata. Morfologiju rezanja presjeka rezanog rezanja karakterizirao je optički mikroskop (kao što je prikazano na slici 4E-F). Rezultati su pokazali da su performanse laserskog rezanja 4H-SIC-ovih superlena ostale stabilne nakon 60 minuta rada, dok se fokus komercijalnog objektiva značajno pomaknuo prema unutrašnjosti supstrata nakon 30 minuta. Analiza podataka otkrila je da je promjena dubine rezanja 4H-SIC superlena nakon 1 sata rada bila samo 11,4% od komercijalne objektivne leće. Eksperimentalni rezultati provjerili su test pomaka žarišne ravnine i odražavali superiornu stabilnost uređaja 4H-SIC superlena u stvarnim industrijskim primjenama.
Sažetak i izgledi
Ova studija predložila je 4H-SIC Superlens koji može ublažiti problem toplinskog odljeva u laserskoj obradi velike snage. Eksperimentalni rezultati pokazuju da 4H-SIC Superlens postiže izvrsnu toplinsku stabilnost i optičke performanse zbog izvrsne toplinske vodljivosti. Superlens referentni optički pokazatelji komercijalnih objektiva visokih performansi, a na temelju nanokolumnih supercela, postiže učinkovito fokusiranje koje je neosjetljivo na polarizaciju. Problem s pripremom 4H-SIC-ovih superlena uspješno je riješen tehnologijom poluvodičke prerade kompatibilne s masovnom proizvodnjom. Eksperimenti pokazuju da Superlens postiže fokusiranje s ograničenom difrakcijom na dizajniranoj žarišnoj duljini i pokazuje izvrsnu stabilnost u kontinuiranom laserskom zračenju velike snage, s izuzetno malim pomakom fokusa, što je mnogo bolje od komercijalnih objektiva. U aplikacijama za rezanje lasera, morfologija rezanja pomoću ove superlena malo se mijenja. Ovi rezultati ističu superiorne performanse 4H-SIC superlensa u usporedbi s tradicionalnim objektivnim lećama, za koje obično zahtijevaju složene sustave hlađenja kako bi se postigla slična razina stabilnosti. Gledajući naprijed, uz daljnje istraživanje i optimizaciju, očekuje se da će se 4H-SIC Superlens široko koristiti u laserskim sustavima velike snage i promicati razvoj srodnih polja. Sa svojim kompaktnim dizajnom i odličnim optičkim i toplinskim performansama, ova nova generacija uređaja Metasufface može se primijeniti na polja kao što su proširena stvarnost, zrakoplovna i laserska obrada, učinkovito rješavanje problema s ključnim toplinskim upravljanjem u trenutnoj industriji.
Chen Boyu i Sun Xiaoyu, Zajednički doktorski studenti Sveučilišta Zhejiang i Sveučilišta West Lake, su suradnici i profesor Qiu Min sa Sveučilišta West Lake, izvanredni istraživač Pan Meiyan iz laboratorija Ji Hua, dr. Du Kaikai iz Mude Micro- Nano (Hangzhou) Technology Co., Ltd., i istraživač Zhao Ding sa Instituta za optoelektroniku Sveučilišta West Lake University of Optoelectronics, odgovarajući su autori rada. Istraživački rad podržali su Nacionalna zaklada za prirodne znanosti u Kini i Pokrajinski osnovni i primijenjeni osnovni istraživački fond Guangdong, a također su ga snažno podržali budući istraživački centar za industriju i napredna platforma za mikro-nano preradu i testiranje na Sveučilištu West Lake.
