Наскоро изследователската група на Qiu Min в Бъдещия изследователски център за индустрията и Инженерното училище в Уестлейк Университет успешно разработи нов тип фотонично устройство със силициев карбид, който може ефективно да намали проблема с термичния дрейф при лазерна обработка с висока мощност. Екипът използва полупроводникова технология, за да подготви големи аперти, високо прецизни 4H-SIC суперлики, сравнителни срещу високоефективни търговски обективи и постигна дифракционно ограничено фокусиране. След дългосрочно лазерно облъчване с висока мощност, производителността на устройството остава стабилна и почти не се влияе от абсорбцията на топлина. Това постижение представлява основен пробив в лазерните системи с висока мощност и отваря нови хоризонти за тяхното приложение и подобряване на ефективността. Съответните резултати от изследванията бяха публикувани в Международния журнал Advanced Materials под заглавието „4H -SIC Metalens: смекчаване на ефекта на термичен дрейф при лазерно облъчване с висока мощност“.
Изследователски опит
При лазерна обработка точната фокусиране на лъча е от решаващо значение. Въпреки това, поради ниската топлинна проводимост на традиционните обективни материали, е трудно да се разсее топлината навреме и ефективен начин при лазерно облъчване с висока мощност, което води до деформация или топене на лещата поради термично напрежение, което води до насочване на фокуса, Деградация на оптичните показатели и дори необратими щети. Този проблем с термичния дрейф влияе не само върху точността на обработка, но също така ограничава ефективността на производството и надеждността на оборудването. Въпреки че устройствата за охлаждане могат да се използват за облекчаване на проблема с разсейването на топлината, той увеличава обема, теглото и цената на системата и намалява интеграцията и приложимостта на устройството. Следователно, има спешна нужда от нов тип оптично устройство, което може да потисне термичния дрейф при лазерна обработка с висока мощност, като същевременно поддържа висока оптична работа и компактен размер.
Като полупроводник от трето поколение, силициев карбид (SIC) има отлични характеристики като широка лента, висока термична проводимост, ниска загуба на видимата към близо инфрачервената лента и отличната механична твърдост. Той показва голям потенциал при електронни устройства с висока мощност, високотемпературни и високочестотни устройства, оптоелектроника и оптика. С повече от 20-годишен опит в технологията за обработка на микро-нано, изследователската група на Qiu Min разработи технология за обработка на нанострупване с голяма степен, която е съвместима с масовото производство за 4H-SIC материали. Въз основа на широкия спектър от възможности за обработка на този процес, екипът проектира големи апертни 4H-SIC суперлики във връзка с оптичните показатели за високоефективни търговски обективи. В крайна сметка изследователският екип успешно постигна високоефективни устройства Superlens, които могат да работят стабилно и издръжливи при тежки условия, отговарящи на строгите изисквания на индустрията за устройства за фокусиране на трансмисията при лазерна обработка с висока мощност и насърчаване на развитието на свързани индустрии.
Акценти на изследванията
В това проучване изследователската група на Qiu Min проектира и подготви хомогенни 4H-SIC суперлики, които постигнаха оптични показатели, сравними с тази на търговските обективни обективи, и успешно намалява ефекта на термичния дрейф при лазерно облъчване с висока мощност (както е показано на фигура 1) . Избраният 4H-SIC материал има предимствата на високия индекс на пречупване, ниската загуба на видимата към близко инфрачервения спектрален обхват, отличната механична твърдост, химическата устойчивост и високата топлопроводимост. Резултатите от оптичните тестове показват, че 4H-SIC Superlens има оптични показатели, сравними с тази на търговските обективни обективи. При теста за лазерно облъчване с висока мощност се симулира дългосрочната непрекъсната обработка при тежки условия на труд и 4H-SIC суперлинемите показват стабилни характеристики, като същевременно се отърват от зависимостта от сложните системи за охлаждане, отваряйки нови перспективи за приложение за SIC фотоника .
Тези 4H-SIC суперлики са ориентирани срещу високоефективен търговски обектив (Mitutoyo 378-822-5), с дизайнерска цел 0. 5 числова бленда (Na) и 1 cm фокусна дължина. Заслужава да се отбележи, че ширината на блендата на 4H-SIC суперлинеите е 1,15 см, което надвишава размера на лъча, обикновено произведен от лазери с висока мощност и има широк спектър от адаптивност. За да балансира дизайна и подготовката, устройството използва изотропни нанопилари като суперклетъци (както е показано на фигура 2А), с височина h {{13} µm, за да осигури динамична фаза под формата на пресечени вълновода. Периодът между съседни суперклетъци е p=0. 6 µm, при което може да се постигне дифракционно ограничено фокусиране. Тъй като двуподаването на 4H-SIC причинява лека фазова разлика между инциденти с X- и Y-поляризирани, изследователският екип оптимизира всяка суперклетка, като свежда до минимум коефициента на качество. И накрая, се получават суперклетъци от 8 размера (Фигура 2В-D) и всеки избран суперклетъл постига съответната модулация на целевата фаза при дължина на вълната 1. 0 60 µm, като същевременно има висока предаване по-голяма от 0,85 и е безчувствена до поляризация.
Подготовката на 4H-SIC суперлини приема серия от технологии за обработка на полупроводници като литография на електронния лъч, физическо отлагане на пари и индуктивно свързано плазмено офорт. Нанопилярите с напълно запълнени високо съотношение се обработват върху повърхността на субстрата от 1,15 × 1,15 cm². Както е показано на фигура 3A-E, периодът на структурата е 6 0 0 nm, коефициентът на пълнене е 0,3 до 0,78, а височината на структурата е 1,009 µm, измерена чрез сканираща електронна микроскопия и микроскопия на атомната сила. Резултатите от характеристиката на извадката доказват отличните постижения на технологията за обработка. Този метод за подготовка на свръхсърбок на голяма степен, високо прецизно и високо съотношение на съотношение може да се приложи към подобни устройства за постигане на масово производство.
Оптичната характеристика на 4H-SIC суперлинемите е тествана с помощта на самостоятелно изградена система за микроскопия за предаване (както е показано на фигура 3F). Системата вертикално ръководи паралелен лазер с дължина на вълната 1 0 30 nm към 4H-SIC суперлинеи и реализира CCD изображения чрез коаксиална микроскопска система. В рамките на фокалната равнина се извършва стъпка-сканиран тест в рамките на ± 35 µm на фокусната равнина и се получава изображения на фокусната равнина и фокалното поле (както е показано на фигура 3G-H). Анализът на данните показва, че фокусното поле във фокусно разстояние от 1 cm представя гладко гаусско разпределение. Разпределението на интензитета на светлината във теста на фокалната равнина показа отлична ефективност на фокусиране (Фигура 3I-J), а пълната ширина на фокуса на половин височина беше 2,9 µm. Според резултатите от теста, ефективността на фокусиране на 4H-SIC суперлинеите се изчислява на 96,31%. Инцидентите и изходните повърхности на 4H-SIC са измерени с помощта на оптичен захранващ измервател и предаването на устройството се измерва на 0,71. Въз основа на тези оптични резултати от тестовете, 4H-SIC суперленците проявяват оптични показатели, сравними с търговските обективни лещи, и могат да постигнат същите възможности за обработка в лазерните системи за обработка.
За да се симулира суровите условия за непрекъсната обработка с висока мощност при лазерна обработка, в термичния тест е използван същият оптичен път като оптичния тест, но източникът на светлина е заменен с 15 W 1 0 30 nm Лазер. Промените в температурата на устройството, фокусната равнина и ефектът на рязане на 4H-SIC суперлинейни и търговски обективен обектив бяха тествани за 1 час непрекъсната работа. Промените в температурата на повърхността на устройството, измерени от инфрачервен термичен образ, са показани на фигура 4A-B. След 60 минути лазерно облъчване с висока мощност, температурата на устройството на 4H-SIC суперлинемите се повиши само с 3,2 градуса, а промените в температурата е само 6% от обективния обектив (повишаване на температурата от 54,0 градуса). В сравнение с традиционните обективи, 4H-SIC суперлинемите могат да достигнат стабилна температура след работа за около 10 минути без допълнителни компоненти за охлаждане, а промяната на температурата е по-малка, а работната температура е по-ниска. Това отлично изпълнение на термичното управление демонстрира ефективността на 4H-SIC суперлинеите при тежки условия на труд.
За да се отразят промените в оптичната производителност на устройството, CCD се използва за запис на фокусната равнина на компенсиране на устройството в рамките на 1 час (както е показано на фигура 4c-d). Резултатите от теста показват, че фокусът на 4H-SIC суперлинеите няма очевидно компенсиране, докато фокусът на търговската обективна обектива има очевидно компенсиране след 30 минути и накрая CCD не може да бъде изобразено поради прекомерно компенсиране. Пълната ширина на половината височина и централните координати на фокуса се получават чрез обработка на изображения, а координатите на фокуса се сравняват с първоначалната позиция за получаване на данните за изместване в равнината. След 1 час непрекъснато лазерно облъчване с висока мощност, платформата Z-ос се премества обратно на разстояние на изместване на фокусната равнина, за да се получи компенсирането на устройството по оптичната ос. Фокалната равнина на компенсиране на търговската обективна леща е 213 µm, докато фокалната равнина на компенсиране на 4H-SIC суперлинеите е само 13 µm, което показва, че тя има отлична оптична стабилност и консистенция по време на непрекъснато лазерно облъчване с висока мощност.
Експериментът с лазерно рязане се провежда, като се използва същия оптичен път, за да се сравни влиянието на термичния дрейф върху ефекта на обработка по време на действителния процес на рязане на лазер. Експериментът избра 4H-SIC вафли, които са изключително трудни за обработка, като нарязан материал. Оптичният път за рязане се калибрира по тест за сканиране на стъпка. След калибриране, рязането се извършва по посока на X на всеки 10 минути и се записват промените в ефекта на рязане в рамките на 1 час. Морфологията на рязането на напречното сечение на изрязаната вафла се характеризира с оптичен микроскоп (както е показано на фигура 4е-F). Резултатите показват, че ефективността на лазерно рязане на 4H-SIC суперлинеите остават стабилни след 60 минути работа, докато фокусът на обектива на търговската цел се измести значително към вътрешността на субстрата след 30 минути. Анализът на данните установи, че промяната в дълбочината на рязане на 4H-SIC суперлинемите след 1 час работа е била само 11,4% от тази на обектива на търговските обективи. Експерименталните резултати провериха теста на компенсиране на фокалната равнина и отразяват превъзходната стабилност на устройството на 4H-SIC суперлинеите в действителните индустриални приложения.
Обобщение и перспективи
Това проучване предложи 4H-SIC суперлики, които могат да облекчат проблема с термичния дрейф при лазерна обработка с висока мощност. Експерименталните резултати показват, че 4H-SIC Superlens постига отлична термична стабилност и оптични характеристики поради отличната си топлинна проводимост. Superlens сравнява оптичните показатели за високоефективни търговски обективи и въз основа на суперклетите на наноколони, той постига ефективно фокусиране, което е нечувствително към поляризацията. Проблемът с подготовката на 4H-SIC Superlens е успешно решен чрез технология за обработка на полупроводници, съвместима с масовото производство. Експериментите показват, че Superlens постига дифракционно ограничено фокусиране върху проектираното фокусно разстояние и проявява отлична стабилност при непрекъснато лазерно облъчване с висока мощност, с изключително малко смяна на фокуса, което е много по-добро от търговските обективни обективи. В приложенията за лазерно рязане, режещата морфология, използваща този суперленс, се променя малко. Тези резултати подчертават превъзходните характеристики на 4H-SIC суперлинемите в сравнение с традиционните обективни обективи, които обикновено изискват сложни охлаждащи системи за постигане на подобни нива на стабилност. Очаквайки напред, с по-нататъшни изследвания и оптимизация, 4H-SIC Superlens се очаква да бъдат широко използвани в лазерните системи с висока мощност и да насърчават разработването на свързани области. Със своя компактен дизайн и отлични оптични и топлинни показатели, това ново поколение Metasurface устройства може да се приложи за полета като разширена реалност, аерокосмическа и лазерна обработка, ефективно решаване на ключови проблеми с термичното управление в настоящата индустрия.
Chen Boyu и Sun Xiaoyu, съвместни докторски студенти от университета Zhejiang и Университета West Lake, са авторите на сътрудничество и професор Qiu Min от Уест езерото, асоцииран изследовател Пан Мейян от лаборатория Ji Hua, д-р Дю Кайкай от Mude Micro- Nano (Hangzhou) Technology Co., Ltd., и изследователят Джао Динг от Университетския институт по оптоелектроника на Уест Лейк са съвместните автори на документа. Изследователската работа беше подкрепена от Националната природонаучна фондация на Китай и провинциалния фонд за провинция Гуангдун и приложният основен изследователски фонд, а също така беше силно подкрепен от Бъдещия изследователски център за индустрията и модерната платформа за обработка и тестване на микро-нано на Университета на Уест Лейк.
