Hiljuti töötasid QIU Mini tulevase tööstuse uurimiskeskuse uurimisrühm ja Westlake'i ülikooli tehnikakool edukalt välja uut tüüpi räni karbiidi fotoonilise seadme, mis suudab tõhusalt vähendada termilise triiviprobleemi suure võimsusega lasertöötluses. Meeskond kasutas pooljuhtide tehnoloogiat suurejoonelise, ülitäpse 4H-SIC superleni ettevalmistamiseks, võrreldes suure jõudlusega kaubanduslike objektiivsete läätsede vastu ja saavutas difraktsiooniga piiratud fookuse. Pärast pikaajalist suure võimsusega laserkiirgust püsib seadme jõudlus stabiilsena ja soojuse imendumine seda peaaegu ei mõjuta. See saavutus on suur läbimurre suure võimsusega lasersüsteemides ja avab uue horisondi nende rakendamiseks ja tõhususe parandamiseks. Asjakohased uurimistulemused avaldati International Journal Advanced Materials pealkirjaga "4H -SIC metalens: termilise triiviefekti leevendamine suure võimsusega laserkiirguse korral".
Uurimistöö taust
Laseri töötlemisel on täpne tala keskendumine ülioluline. Traditsiooniliste objektiivmaterjalide madala soojusjuhtivuse tõttu on aga suure võimsusega laserkiirguse korral keeruline kuumust õigeaegselt ja tõhusalt hajutada, mille tulemuseks on läätse deformatsioon või sulamine soojuspinge tõttu, põhjustades fookuse triivi, fookuse triivimist, Optilise jõudluse lagunemine ja isegi pöördumatu kahju. See termiline triiviprobleem ei mõjuta mitte ainult töötlemise täpsust, vaid piirab ka tootmise tõhusust ja seadmete usaldusväärsust. Ehkki jahutusseadmeid saab kasutada soojuse hajumise probleemi leevendamiseks, suurendab see süsteemi mahtu, kaalu ja kulusid ning vähendab seadme integreerimist ja rakendatavust. Seetõttu on kiire vajadus uut tüüpi optiliste seadmete järele, mis suudab suure võimsusega lasertöötlemisel termilise triivi maha suruda, säilitades samal ajal suure optilise jõudluse ja kompaktse suuruse.
Kolmanda põlvkonna pooljuhtmaterjalina on räni karbiidil (SIC) suurepärased omadused, näiteks lai ribalaud, kõrge soojusjuhtivus, madal kadumisnõel lähedase ja infrapuna-ribaga ja suurepärane mehaaniline kõvadus. See näitab suurt potentsiaali suure võimsusega elektroonilistes seadmetes, kõrgtemperatuurilistes ja kõrgsageduslike seadmete, optoelektroonika ja optika korral. Enam kui 20-aastase kogemusega mikro-nanotöötluse tehnoloogia alal on Qiu Mini uurimisrühm välja töötanud suure piirkonna, kõrge kultuurilise nanostruktuuri töötlemise tehnoloogia, mis ühildub masstootmisega 4H-SIC materjali jaoks. Selle protsessi laiaulatuslike töötlemisvõimaluste põhjal kavandas meeskond suurejoonelise 4H-SIC superleni, viidates suure jõudlusega kaubanduslike objektiivide optilistele näitajatele. Lõpuks saavutas uurimisrühm edukalt suure jõudlusega superleenite seadmeid, mis võivad töötada karmides tingimustes stabiilselt ja vastupidavates, vastates tööstuse rangetele nõuetele ülekandefookuseadmete jaoks suure võimsusega lasertöötlemisel ja edendades seotud tööstusharude arengut.
Uurimistöö esiletõstmised
Selles uuringus kavandas ja koostas QIU Mini uurimisrühm homogeenseid 4H-SIC superlene, mis saavutas optilise jõudluse, mis oli võrreldav äriliste objektiivide omaga, ja vähendas edukalt termilise triivi efekti suure võimsusega laserkiirguse korral (nagu on näidatud joonisel 1) . Valitud 4H-sic-materjalil on kõrge murdumisnäitaja eelised, madal kadumisnõel ja infrapuna-spektri vahemikus, suurepärane mehaaniline kõvadus, keemiline vastupidavus ja kõrge soojusjuhtivus. Optilised testi tulemused näitavad, et 4H-SIC superleenitel on optilised jõudlus, mis on võrreldav äriliste objektiivide omaga. Suure võimsusega laserkiirgustesti testis simuleeriti pikaajalist pidevat töötlemist karmides töötingimustes ja 4H-SIC superleenit näitas stabiilset jõudlust, vabanedes samas sõltuvusest keerukatest jahutussüsteemidest, avades SIC-footonika uued rakenduste väljavaated .
Seda 4H-SIC superleenit võrreldakse suure jõudlusega ärilise objektiivi (mittoyo 378-822-5) vastu, mille kujundussiht on 0. 5 numbriline ava (Na) ja 1 cm fookuskaugus. Väärib märkimist, et 4H-SIC superleenite ava laius on 1,15 cm, mis ületab tala suurust, mida tavaliselt toodetakse suure võimsusega laseritega ja millel on lai kohanemisvõime. Kujunduse ja ettevalmistamise tasakaalustamiseks kasutab seade isotroopseid nanopillaare superrakkudena (nagu näidatud joonisel 2A), kõrgusega H=1 µM, et saada dünaamiline faas kärbitud lainejuhtide kujul. Periood külgnevate superrakkude vahel on p=0. 6 µm, mille korral on võimalik saavutada difraktsiooni piiratud fookus. Kuna 4H-SIC kahehäälsus põhjustab X- ja Y-polariseeritud juhtumite vahel väikest faasierinevust, optimeeris uurimisrühm iga superraku, minimeerides kvaliteeditegurit. Lõpuks saadakse 8 suurusega superrakud (joonis 2B-D) ja iga valitud superrakk saavutab vastava sihtfaasi modulatsiooni lainepikkusel 1. 0 60 um, samal ajal kui kõrge läbilaskvus on suurem kui 0,85 ja olles tundetu. polarisatsiooni.
4H-SIC superleenite ettevalmistamine võtab vastu rida pooljuhtide töötlemise tehnoloogiaid, näiteks elektronkiire litograafia, füüsiline aurude sadestumine ja induktiivselt ühendatud plasma söövitus. Substraadi pinnal 1,15 × 1,15 cm² töödeldi täielikult täidetud kõrge kuvasuhtega nanopillaare. Nagu on näidatud joonisel 3a-e, on struktuuriperiood 6 0 0 nm, täitefaktor on 0,3 kuni 0,78 ja struktuuri kõrgus on 1,009 µm, mõõdetuna elektronmikroskoopia skaneerimise ja aatomjõu mikroskoopia abil. Valimi iseloomustamise tulemused tõestavad töötlemistehnoloogia tipptasemel. Seda suure piirkonna, ülitäpse ja kõrge osa suhte pinna ettevalmistamise meetodit saab masstootmise saavutamiseks rakendada sarnastesse seadmetesse.
4H-SIC superleenite optilist jõudlust testiti iseenesest sisseehitatud ülekandemikroskoopia pildisüsteemi abil (nagu näidatud joonisel 3F). Süsteem juhib vertikaalselt paralleelset laserit lainepikkusega 1 0 30 nm kuni 4H-SIC superleenini ja realiseerib CCD-pildistamise läbi koaksiaalse mikroskoobi süsteemi. Astmeline test viidi läbi fookustasapinna vahemikus ± 35 um ning fookustasapinna ja fookusvälja pildistamine (nagu on näidatud joonisel 3G-H). Andmete analüüs näitab, et fookusväli fookuskaugusega 1 cm näitab sujuvat Gaussi jaotust. Valguse intensiivsuse jaotus fookustasapinna testis näitas suurepärast fookuse jõudlust (joonis 3I-J) ja pooleldi kõrguse täislaius oli 2,9 µm. Testi tulemuste kohaselt arvutatakse 4H-SIC superleenite fookuse efektiivsus 96,31%. 4H-SIC superleenite langevaid ja väljumispindu mõõdeti optilise võimsuse arvesti abil ja seadme läbilaskvust mõõdeti 0,71. Nende optiliste testide tulemuste põhjal on 4H-SIC superlenitel optilised indikaatorid, mis on võrreldavad kaubanduslike objektiividega, ja need võivad saavutada sama töötlemisvõimaluse lasertöötlussüsteemides.
Karmide suure võimsusega pidevate töötlemistingimuste simuleerimiseks kasutati termilise triivikatses sama optilist testi kui optilist testi, kuid valgusallikas asendati 15 W 1 0 30 nm-ga laser. Seadme temperatuuri, fookustasapinna ja 4H-SIC superleenite ja kaubandusliku objektiivi lõikemõju muutusi testiti ühe tunni pideva töö jaoks. Infrapuna termilise kujutisega mõõdetud seadme pinnatemperatuuri muutused on näidatud joonisel 4A-B. Pärast 60-minutist suure võimsusega laserkiirgust tõusis 4H-SIC superlenide seadme temperatuur ainult 3,2 kraadi ja temperatuuri muutus oli vaid 6% objektiivist (temperatuuri tõus 54,0 kraadi). Võrreldes traditsiooniliste objektiividega võivad 4H-SIC superlenid jõuda stabiilse temperatuurini pärast umbes 10 minutit ilma täiendavate jahutuskomponentideta ning temperatuuri muutus on väiksem ja töötemperatuur on madalam. See suurepärane soojusjuhtimise tulemuslikkus näitab 4H-SIC superleenite tõhusust karmides töötingimustes.
Seadme optilise jõudluse muutuste kajastamiseks kasutati CCD-d seadme fookustasapinna nihke salvestamiseks 1 tunni jooksul (nagu näidatud joonisel 4C-D). Testitulemused näitavad, et 4H-SIC superleenite fookus pole ilmset nihet, samas kui kaubandusliku objektiivi fookusel on 30 minuti pärast ilmne nihke ja lõpuks ei saa CCD-d liigse nihke tõttu kujutada. Fookuse poolkõrguse täislaiuse ja keskpunkti koordinaadid saadakse pilditöötlusel ning fookuskoordinaate võrreldakse algse nihke andmete saamiseks algse positsiooniga. Pärast 1-tunnist pidevat suure võimsusega laserkiirgust liigutatakse Z-telje platvorm tagasi fookustasapinna nihkekaugusesse, et saada seadme nihke piki optilist telge. Ärilise objektiivi fookustasapinna nihke on 213 um, samas kui 4H-SIC superleenite fookustasapinna nihke on vaid 13 um, mis näitab, et sellel on suurepärane optiline stabiilsus ja konsistents pideva suure võimsusega laserkiirguse ajal.
Laseri lõikamise katse viidi läbi, kasutades sama optilist teed, et võrrelda termilise triivi mõju töötlemisefektile tegeliku laseri lõikamise ajal. Katse valiti 4H-SIC vahvleid, mida on lõigatud materjalina äärmiselt keeruline töödelda. Lõikamisoptiline tee kalibreeriti astme skaneerimise testi abil. Pärast kalibreerimist viidi läbi X suunda iga 10 minuti tagant ja lõikamise efekti muutused 1 tunni jooksul registreeriti. Lõigatud vahvli ristlõike lõikemorfoloogiat iseloomustas optiline mikroskoop (nagu on näidatud joonisel 4E-F). Tulemused näitasid, et 4H-SIC superleenite laserlõikamise jõudlus püsis pärast 60-minutist operatsiooni stabiilsena, samal ajal kui ärilise objektiivi fookus nihkus 30 minuti pärast oluliselt substraadi sisekülje poole. Andmeanalüüs leidis, et 4H-SIC superleenite lõikamise muutus pärast 1-tunnist operatsiooni oli vaid 11,4% kaubandusliku objektiivi omast. Eksperimentaalsed tulemused kinnitasid fookustasapinna nihke testi ja peegeldasid 4H-SIC superlenide paremat stabiilsust tegelikes tööstuslikes rakendustes.
Kokkuvõte ja väljavaade
Selles uuringus pakkus välja 4H-SIC superleen, mis suudab leevendada termilise triiviprobleemi suure võimsusega lasertöötluses. Eksperimentaalsed tulemused näitavad, et 4H-SIC Superlens saavutab suurepärase soojusjuhtivuse tõttu suurepärase termilise stabiilsuse ja optilise jõudluse. Superlenid võrdlusalused suure jõudlusega äriliste objektiivide optilised näitajad ja Nanoclomm Supercellsil põhineb see tõhusa keskendumise, mis on polarisatsiooni suhtes tundetu. Suuremaadlusega 4H-SIC superleenite ettevalmistamise probleem lahendati edukalt masstootmisega ühilduva pooljuhtide töötlemistehnoloogia kaudu. Katsed näitavad, et Superlens saavutab difraktsiooniga piiratud fookuse kavandatud fookuskaugusel ja sellel on suurepärane stabiilsus pideva suure võimsusega laserkiirguse korral, äärmiselt väikese fookusega nihkega, mis on palju parem kui kaubanduslikud objektiivsed. Laseri lõikamise rakendustes muutub seda superleenit kasutav lõikamismorfoloogia vähe. Need tulemused rõhutavad 4H-SIC superleenite paremat jõudlust võrreldes traditsiooniliste objektiividega, mis nõuavad tavaliselt sarnase stabiilsuse taseme saavutamiseks keerulisi jahutussüsteeme. Edasise uurimistöö ja optimeerimise abil loodetakse 4H-SIC Superlens laialdaselt kasutada suure võimsusega lasersüsteemides ja soodustada seotud väljade arengut. Oma kompaktse disaini ning suurepärase optilise ja termilise jõudlusega saab seda uut põlvkonda metasurface -seadmeid rakendada selliste valdkondade jaoks nagu liitreaalsus, kosmose- ja lasertöötlus, mis lahendab tõhusalt peamised soojusjuhtimisprobleemid praeguses tööstuses.
Chen Boyu ja Sun Xiaoyu, Zhejiangi ülikooli ja West Lake'i ülikooli ühiste doktoriõpilased, on esimesed autorid ning West Lake'i ülikooli professor Qiu Min, Ji Hua labori dotsent Pan Meiyan, dr Duikai dr Duikai Mude Micro- Nano (Hangzhou) Technology Co., Ltd., ja West Lake'i ülikooli optoelektroonika instituudi teadlane Zhao Ding on paberi kaaskirjas. Teadustööd toetasid Hiina Riiklik Loodusteaduste Sihtasutus ja Guangdongi provintsi põhi- ja rakenduslike uuringute fond ning seda toetas ka tulevane tööstuse uurimiskeskus ja West Lake'i ülikooli arenenud mikro-nano töötlemis- ja testimisplatvorm.
