Pred kratkim je raziskovalna skupina Qiu Min v prihodnjem industrijskem raziskovalnem centru in inženirski šoli na univerzi Westlake uspešno razvila novo vrsto fotonske naprave iz silicijevega karbida, ki lahko učinkovito zmanjša problem s toplotnim premikom pri laserski obdelavi z visoko močjo. Skupina je s pomočjo polprevodniške tehnologije pripravila velike aprilturne, visoko natančne 4H-SIC Supertlens, primerjana z visokozmogljivimi komercialnimi objektivnimi lečami in dosegla difrakcijsko omejeno fokusiranje. Po dolgotrajnem laserskem obsevanju z visoko močjo ostaja zmogljivost naprave stabilna in na to skoraj ne vpliva absorpcija toplote. Ta dosežek predstavlja velik preboj v laserskih sistemih z visoko močjo in odpira nova obzorja za njihovo uporabo in izboljšanje učinkovitosti. Ustrezni rezultati raziskav so bili objavljeni v International Journal Advanced Materials pod naslovom "4H -Sic Metales: blažilni učinek toplotnega premika pri laserskem obsevanju z visoko močjo".
Raziskovalno ozadje
Pri laserski obdelavi je ključnega pomena natančno ostrenje žarka. Vendar je zaradi nizke toplotne prevodnosti tradicionalnih objektivnih objektivnih materialov težko pravočasno in učinkovito razpršiti toploto pri laserskem obsevanju z veliko močjo, kar ima za posledico deformacijo ali taljenje leče zaradi toplotnega stresa, kar povzroči, da se fokus giblje, Degradacija optičnih zmogljivosti in celo nepopravljiva škoda. Ta problem toplotnega premika ne vpliva samo na natančnost obdelave, ampak tudi omejuje učinkovitost proizvodnje in zanesljivost opreme. Čeprav se hladilne naprave lahko uporabijo za ublažitev problema odvajanja toplote, poveča glasnost, težo in stroške sistema ter zmanjša integracijo in uporabnost naprave. Zato obstaja nujna potreba po novi vrsti optične naprave, ki lahko zavira toplotni premik pri laserski obdelavi z visoko močjo, hkrati pa ohranja visoko optično zmogljivost in kompaktno velikost.
Kot polprevodniški material tretje generacije ima silicijev karbid (SIC) odlične značilnosti, kot so široka pasova, visoka toplotna prevodnost, nizka izguba vidne do skoraj infrardečega pasu in odlična mehanska trdota. Prikazuje velik potencial v elektronskih napravah z visoko močjo, visokotemperaturnih in visokofrekvenčnih napravah, optoelektroniki in optiki. Z več kot 20-letnimi izkušnjami na področju mikro-Nano obdelave tehnologije je raziskovalna skupina Qiu Min razvila veliko območje, visoko območje tehnologije za nanostrukturo nanostrukture, ki je združljiva z množično proizvodnjo za 4H-SIC materiale. Na podlagi širokega obsega zmogljivosti za obdelavo tega procesa je ekipa zasnovala velike 4H-SIC superlene s sklicevanjem na optične kazalnike visokozmogljivih komercialnih objektivnih leč. Na koncu je raziskovalna skupina uspešno dosegla visokozmogljive naprave Superlens, ki lahko stabilno in trpežno delujejo v težkih pogojih, pri čemer izpolnjujejo stroge zahteve industrije za naprave za fokusiranje prenosa pri laserski obdelavi z visoko močjo in spodbujajo razvoj povezanih panog.
Raziskovalni poudarki
V tej študiji je raziskovalna skupina Qiu Min zasnovala in pripravila homogene 4H-SIC Superlens, ki je dosegla optično delovanje, primerljivo z uspešnostjo komercialnih objektivnih leč in uspešno zmanjšala učinek toplotnega premika pri laserskem obsevanju z visoko močjo (kot je prikazano na sliki 1) . Izbrani 4H-SIC material ima prednosti visokega indeksa loma, nizko izgubo v vidnem skoraj infrardečem spektralnem območju, odlično mehansko trdoto, kemično odpornost in visoko toplotno prevodnost. Rezultati optičnih testov kažejo, da ima 4H-SIC Supertlens optično delovanje, primerljivo z uspešnostjo komercialnih objektivnih leč. V testu laserskega obsevanja z visoko močjo je bila simulirana dolgotrajna neprekinjena obdelava v ostrih delovnih pogojih, 4H-SIC Superlens .
Ta 4H-SIC Superlens je primerjan proti visokozmogljivemu komercialnemu objektivnemu objektivu (Mitutoyo 378-822-5), z oblikovalskim ciljem 0. 5 številčne zaslonke (NA) in 1 cm žariščne razdalje. Omeniti velja, da je širina zaslonke 4H-SIC superlenov 1,15 cm, kar presega velikost žarka, ki jo običajno proizvajajo laserji z visoko močjo in ima široko paleto prilagodljivosti. Da bi uravnotežila načrtovanje in pripravo, naprava uporablja izotropne nanopilarje kot supercelice (kot je prikazano na sliki 2A), z višino H=1 µm, da zagotovi dinamično fazo v obliki okrnjenih valovodov. Obdobje med sosednjimi supercelici je P=0. 6 µm, pri katerem je mogoče doseči difrakcijsko omejeno fokusiranje. Ker birefringe 4H-SIC povzroči rahlo fazno razliko med incidentom X- in Y, je raziskovalna skupina optimizirala vsako supercelico tako, da je zmanjšala faktor kakovosti. Končno dobimo supercelice 8 velikosti (slika 2b-d) in vsaka izbrana supercelica doseže ustrezno ciljno fazno modulacijo pri valovni dolžini 1. 0 60 µm, medtem ko ima visoko prepustnost večjo od 0,85 in je neobčutljiva do polarizacije.
Priprava 4H-SIC Supertlenov sprejme vrsto tehnologij za predelavo polprevodnikov, kot so litografija elektronskih snopov, fizično odlaganje hlapov in induktivno povezano jedkanje plazme. Nanopilarji z visokim razmerjem visoke stranice so bili obdelani na površini podlage 1,15 × 1,15 cm². Kot je prikazano na sliki 3a-e, je obdobje strukture 6 0 0 nm, faktor polnjenja je 0,3 do 0,78, višina strukture pa 1,009 µm, izmerjena s skeniranjem elektronske mikroskopije in mikroskopije atomske sile. Rezultati karakterizacije vzorca dokazujejo odličnost tehnologije obdelave. To veliko območje, visoko natančno, visoko natančno razmerje pri pripravi pripravljanja, lahko uporabimo za podobne naprave za doseganje množične proizvodnje.
Optična zmogljivost 4H-SIC superlenov je bila preizkušena s pomočjo samograjenega mikroskopskega sistema za mikroskopijo (kot je prikazano na sliki 3F). Sistem navpično vodi vzporedni laser z valovno dolžino 1 0 30 nm do 4H-SIC superlenov in uresničuje slikanje CCD prek koaksialnega mikroskopskega sistema. Izvedeni je bil preskus s stepanjem v območju ± 35 µm na goriščni ravnini, pridobljeno je bilo slikanje goriščne ravnine in žariščnega polja (kot je prikazano na sliki 3G-H). Analiza podatkov kaže, da žariščno polje na goriščni razdalji 1 cm predstavlja gladko Gaussovo porazdelitev. Porazdelitev svetlobne intenzivnosti v testu žariščne ravnine je pokazala odlično osredotočenost (slika 3I-J), polna širina osredotočenosti na polovico višine pa 2,9 µm. Glede na rezultate testov se izračuna učinkovitost osredotočenosti 4H-SIC superlenov na 96,31%. Incidentne in izhodne površine 4H-SIC superlenov so bile izmerjene z optičnim merilnikom moči, prepustnost naprave pa je bila izmerjena na 0,71. Na podlagi teh optičnih rezultatov preskusov 4H-SIC Superlens ima optične kazalnike, primerljive s komercialnimi objektivnimi lečami in lahko doseže enake zmogljivosti obdelave v sistemih laserskega obdelave.
Da bi simulirali močne neprekinjene pogoje obdelave z visoko močjo pri laserski obdelavi, je bila v testu termičnega premika uporabljena enaka optična pot kot optični test, vendar je bil vir svetlobe nadomeščen s 15 W 1 0 30 nm laser. Spremembe temperature naprave, goriščne ravnine in rezalnega učinka 4H-SIC Supertlens in komercialnih objektivnih objektiv so bile testirane za 1 uro neprekinjenega delovanja. Spremembe temperature površine naprave, merjene z infrardečim toplotnim slikarjem, so prikazane na sliki 4A-B. Po 60 minutah laserskega obsevanja z visoko močjo se je temperatura naprave 4H-SIC superlenov povečala le za 3,2 stopinj, temperaturna sprememba pa je bila le 6% objektivne leče (dvig temperature 54,0 stopinj). V primerjavi s tradicionalnimi objektivnimi lečami lahko 4H-SIC superleni dosežejo stabilno temperaturo po približno 10 minutah brez dodatnih hladilnih komponent, sprememba temperature pa je manjša, delovna temperatura pa nižja. Ta odlična uspešnost toplotnega upravljanja kaže na učinkovitost 4H-SIC superlenov v ostrih delovnih pogojih.
Da bi odražali spremembe optične zmogljivosti naprave, smo CCD v 1 uri uporabili za snemanje gorinske ravnine naprave (kot je prikazano na sliki 4C-D). Rezultati testov kažejo, da osredotočenost 4H-SIC Superlens nima očitnega odmika, medtem ko ima osredotočenost komercialnega objektivnega objektiva po 30 minutah očiten odmik, na koncu pa CCD zaradi pretiranega odmika ni mogoče predstavljati. Polovična višinska polna širina in koordinate središčnega ostrenja dobimo z obdelavo slik, koordinate ostrenja pa primerjamo z začetnim položajem za pridobitev podatkov o premiku v ravnini. Po 1 uri neprekinjenega laserskega obsevanja z visoko močjo se platforma Z osi premakne nazaj na razdaljo premika goriščne ravnine, da dobimo odmik naprave vzdolž optične osi. Osmeri za odmik žarišča komercialne objektivne leče je 213 µm, medtem ko je goriščna ravnina 4H-SIC superlena le 13 µm, kar kaže na to, da ima odlično optično stabilnost in konsistenco med neprekinjenim laserskim obsevanjem z visoko močjo.
Eksperiment z laserskim rezanjem je bil izveden z isto optično potjo za primerjavo vpliva toplotnega premika na učinek obdelave med dejanskim postopkom rezanja laserja. V poskusu je izbral 4H-SIC rezine, ki jih je izjemno težko obdelati kot rezan material. Rezalna optična pot je bila umerjena s testom skeniranja korakov. Po kalibraciji je bilo rezanje izvedeno vzdolž smeri X vsakih 10 minut in zabeležene spremembe učinka rezanja v 1 uri. Za rezalno morfologijo preseka rezane rezine je bil značilen optični mikroskop (kot je prikazano na sliki 4E-F). Rezultati so pokazali, da je lasersko rezalno zmogljivost 4H-SIC superlenov ostala stabilna po 60 minutah delovanja, medtem ko se je osredotočenost komercialnega objektivnega leče po 30 minutah znatno preusmerila proti notranjosti podlage. Analiza podatkov je pokazala, da je bila sprememba globine rezanja 4H-SIC superlenov po 1 uri delovanja le 11,4% komercialne objektivne leče. Eksperimentalni rezultati so preverili test odmika žariščne ravnine in odražali vrhunsko stabilnost naprave 4H-SIC superlenov v dejanskih industrijskih aplikacijah.
Povzetek in obeti
Ta študija je predlagala 4H-SIC Superlens, ki lahko ublaži problem s toplotnim premikom pri laserski obdelavi z veliko močjo. Eksperimentalni rezultati kažejo, da 4H-SIC Superlens dosega odlično toplotno stabilnost in optične zmogljivosti zaradi svoje odlične toplotne prevodnosti. Superlens merilo optične kazalnike visokozmogljivih komercialnih objektivnih objektiv in na podlagi nanokolumnskih supercelic dosega učinkovito osredotočenost, ki je neobčutljiv na polarizacijo. Problem priprave velikih aperturnih 4H-SIC superlenov je bil uspešno rešen s tehnologijo za polprevodniško predelavo, združljivo z množično proizvodnjo. Eksperimenti kažejo, da superleni dosegajo difrakcijsko omejeno fokusiranje na zasnovani goriščni razdalji in ima odlično stabilnost pod neprekinjenim laserskim obsevanjem z visoko močjo, z izjemno majhnim fokusnim premikom, ki je veliko boljši od komercialnih objektivnih leč. Pri laserskih rezalnih aplikacijah se rezalna morfologija z uporabo te superlenov malo spremeni. Ti rezultati poudarjajo vrhunsko zmogljivost 4H-SIC superlenov v primerjavi s tradicionalnimi objektivnimi lečami, ki običajno potrebujejo zapletene hladilne sisteme, da dosežejo podobne stopnje stabilnosti. Z nadaljnjimi raziskavami in optimizacijo se pričakuje, da se bodo 4H-SIC Superlens pogosto uporabljali v laserskih sistemih z visoko močjo in spodbujali razvoj povezanih polj. S svojo kompaktno zasnovo in odlično optično in toplotno zmogljivostjo se lahko ta nova generacija naprav metasurface uporabi za področja, kot so razširjena resničnost, vesoljska in laserska obdelava, kar učinkovito rešuje ključne težave s toplotnim upravljanjem v sedanji industriji.
Chen Boyu in Sun Xiaoyu, skupni doktorski študenti univerze Zhejiang in univerze West Lake, so prvi avtorji in profesor Qiu Min z univerze West Lake, pridruženi raziskovalec Pan Meiyan iz laboratorija Ji Hua, dr. Du Kaikai iz Mude Micro- Nano (Hangzhou) Technology Co., Ltd., in raziskovalec Zhao Ding z Univerzitetnega inštituta za Optoelectronics West Lake so sopredsedni avtorji prispevka. Raziskovalno delo sta podprla Nacionalna naravoslovna fundacija Kitajske in Guangdong Guangdong Basic Basic in Applied Basic Research Fund, prav tako pa so ga močno podpirali tudi prihodnji raziskovalni center in napredna platforma za mikro-nano za obdelavo in testiranje univerze West Lake.
