Nedávno výzkumná skupina Qiu Min v Budoucím průmyslovém výzkumném centru a School of Engineering na Westlake University úspěšně vyvinula nový typ fotonického zařízení křemíku karbidu, které může účinně snížit problém s tepelným driftem při vysoce výkonném laserovém zpracování. Tým použil polovodičovou technologii k přípravě velkého a aperturního, vysoce přesného 4H-SIC superlenu, srovnatelný proti vysoce výkonným objektivům komerčních objektivů a dosahoval zaměření s omezením difrakcí. Po dlouhodobém vysoce výkonném laserovém ozáření zůstává výkon zařízení stabilní a je téměř nedotčen absorpcí tepla. Tento úspěch představuje hlavní průlom ve vysoce výkonných laserových systémech a otevírá nové horizonty pro zlepšení jejich použití a účinnosti. Relevantní výsledky výzkumu byly zveřejněny v Mezinárodním časopise Advanced Materials pod názvem „4H -Sic Metalens: zmírňování tepelného driftového účinku při vysoce výkonném laserovém ozáření“.
Zkoumejte pozadí
Při laserovém zpracování je zásadní přesné zaostření paprsku. Vzhledem k nízké tepelné vodivosti tradičních objektivných materiálů je však obtížné rozptýlit teplo včas a efektivním způsobem při vysoce výkonném ozáření, což vede k deformaci nebo tání čočky v důsledku tepelného napětí, což způsobuje zaostření, zaostření, unášení, zaostření, unášení, zaostření, unášení zaostření, Degradace optického výkonu a dokonce i nevratné poškození. Tento problém s tepelným driftem ovlivňuje nejen přesnost zpracování, ale také omezuje efektivitu výroby a spolehlivost zařízení. Přestože chladicí zařízení lze použít ke zmírnění problému s rozptylem tepla, zvyšuje objem, hmotnost a náklady na systém a snižuje integraci a použitelnost zařízení. Proto existuje naléhavá potřeba nového typu optického zařízení, které může potlačit tepelný drift ve vysoce výkonném laserovém zpracování při zachování vysokého optického výkonu a kompaktní velikosti.
Jako polovodičový materiál třetí generace má křemíkový karbid (SIC) vynikající vlastnosti, jako je široká bandgap, vysoká tepelná vodivost, nízká ztráta v viditelném téměř infračerveném pásmu a vynikající mechanickou tvrdost. Ukazuje velký potenciál ve vysoce výkonných elektronických zařízeních, vysokoteplotních a vysokofrekvenčních zařízeních, optoelektronice a optice. S více než 20 lety zkušeností v technologii zpracování mikro-nano vyvinula výzkumná skupina QIU Min velké technologii zpracování nanostruktury s vysokou a vysokou výživou, která je kompatibilní s hromadnou výrobou pro materiály 4H-SIC. Na základě široké škály schopností zpracování tohoto procesu tým navrhl rozsáhlé superleny 4H-SIC s odkazem na optické ukazatele vysoce výkonných komerčních objektivů. Nakonec výzkumný tým úspěšně dosáhl vysoce výkonných superlenových zařízení, která mohou za tvrdých podmínek fungovat stabilně a trvanlivé, a splnit přísné požadavky tohoto odvětví na přenosové zaostřovací zařízení ve vysoce výkonném laserovém zpracování a podpora rozvoje souvisejících průmyslových odvětví.
Zdůraznění výzkumu
V této studii výzkumná skupina Qiu Min navrhla a připravila homogenní superleny 4H-SIC, které dosáhly optického výkonu srovnatelného s výkonem komerčních objektivů a úspěšně snížily účinek tepelného driftu při ozáření vysoce výkonu (jak je znázorněno na obrázku 1) . Vybraný materiál 4H-SIC má výhody indexu s vysokým refrakčním indexem, nízké ztráty viditelného na téměř infračerveném spektrálním rozsahu, vynikající mechanickou tvrdost, chemickou odolnost a vysokou tepelnou vodivost. Výsledky optických testů ukazují, že 4H-SIC Superlens má optický výkon srovnatelný s výkonem komerčních objektivů. V testu vysoce výkonného laserového ozáření bylo simulováno dlouhodobé kontinuální zpracování za drsných pracovních podmínek a superleny 4H-SIC vykazovaly stabilní výkon, zatímco se zbavili závislosti na komplexních chladicích systémech, a otevírali nové vyhlídky na aplikaci pro SIC Photonics .
Tato superlens 4H-SIC je srovnávána proti vysoce výkonnému komerčnímu objektivu (mitutoyo 378-822-5), s cílem návrhu 0. 5 Numerický clona (NA) a ohniskovou délku 1 cm. Stojí za zmínku, že šířka clony superlens 4H-SIC je 1,15 cm, což přesahuje velikost paprsku obvykle produkované vysoce výkonnými lasery a má širokou škálu přizpůsobivosti. Aby se vyvážilo návrh a přípravu, zařízení používá izotropní nanopiláry jako superbuněky (jak je znázorněno na obrázku 2a), s výškou H=1 µm, aby poskytovala dynamickou fázi ve formě zkrácených vlnovodů. Období mezi sousedními superbuněky je p=0. 6 µm, při které lze dosáhnout difrakčního zaostření. Vzhledem k tomu, že dvojice 4H-SIC způsobuje mírný fázový rozdíl mezi incidenty polarizovanými X a Y, výzkumný tým optimalizoval každou supercelul minimalizací faktoru kvality. Nakonec jsou získány superbytku o 8 velikostech (obrázek 2B-D) a každá vybraná supercell dosahuje odpovídající modulaci cílové fáze na vlnové délce 1. 0 60 µm, přičemž má vysokou propustnost větší než 0,85 a je necitlivá k polarizaci.
Příprava superlenů 4H-SIC přijímá řadu polovodičových technologií, jako je litografie elektronového paprsku, depozice fyzikální páry a indukčně spojené plazmatické leptání. Nanopiláry s vysokým poměrem stran byly zpracovány na povrchu substrátu 1,15 × 1,15 cm². Jak je znázorněno na obrázku 3A-E, období struktury je 6 0 0 nm, plnicí faktor je 0,3 až 0,78 a výška struktury je měřena 1,009 um měřena skenovací elektronovou mikroskopií a atomovou silou mikroskopií. Výsledky charakterizace vzorku prokazují dokonalost technologie zpracování. Tato metoda přípravy na přípravu na přípravu s vysokým, vysoce přesným, vysoce přesným, vysoce aspektem poměru může být použita na podobná zařízení k dosažení hromadné výroby.
Optický výkon 4H-SIC Superlens byl testován pomocí samostatného zobrazovacího systému přenosové mikroskopie (jak je znázorněno na obrázku 3F). Systém svisle vede paralelní laser s vlnovou délkou 1 0 30 nm do 4H-SIC Superlens a realizuje zobrazování CCD prostřednictvím koaxiálního mikroskopu systému. Test krokového skenování byl proveden v rozsahu ± 35 um na fokální rovině a bylo získáno zobrazení ohniskové roviny a ohniskového pole (jak je znázorněno na obrázku 3G-H). Analýza dat ukazuje, že ohniskové pole v ohniskové vzdálenosti 1 cm představuje hladké gaussovské rozdělení. Distribuce intenzity světla v testu fokální roviny ukázala vynikající zaostřovací výkon (obrázek 3i-J) a plná šířka zaostření poloviční výšky byla 2,9 um. Podle výsledků testu se zaostřovací účinnost 4H-SIC superlens vypočítává na 96,31%. Dopadající a výstupní povrchy superlenů 4H-SIC byly měřeny pomocí optického měřiče výkonu a propustnost zařízení byla měřena na 0,71. Na základě těchto výsledků optických testů vykazuje 4H-SIC Superlens optické indikátory srovnatelné s komerčními objektivy a mohou dosáhnout stejných schopností zpracování v systémech zpracování laseru.
Za účelem simulace drsných podmínek kontinuálního zpracování s vysokým výkonem při zpracování laseru byla stejná optická cesta jako optický test použity v testovacím testu tepelného driftu, ale zdroj světla byl nahrazen 15 W 1 0 30 nm laser. Změny teploty zařízení, ohniskové roviny a řezné účinek 4H-SiC superlenů a komerčního objektivu objektivu byly testovány po dobu 1 hodiny nepřetržitého provozu. Změny povrchové teploty zařízení měřené infračerveným tepelným zobrazovačem jsou znázorněny na obrázku 4A-B. Po 60 minutách ozařování laseru s vysokým výkonem se teplota zařízení 4H-SIC superlens pouze zvýšila o 3,2 stupně a změna teploty byla pouze 6% objektivu objektivu (zvýšení teploty o 54,0 stupňů). Ve srovnání s tradičními objektivy objektivu mohou 4H-SIC superleny dosáhnout stabilní teploty po spuštění asi 10 minut bez dalších komponent chlazení a změna teploty je menší a provozní teplota je nižší. Tento vynikající výkon tepelného řízení ukazuje účinnost superlenů 4H-SIC za drsných pracovních podmínek.
Aby bylo možné odrážet změny v optickém výkonu zařízení, byl CCD použit k zaznamenávání fokální roviny zařízení do 1 hodiny (jak je znázorněno na obrázku 4c-d). Výsledky testu ukazují, že zaměření 4H-SIC Superlens nemá zjevný posun, zatímco zaměření komerčního objektivu má zjevný posun po 30 minutách a nakonec CCD nelze zjistit kvůli nadměrnému posunu. Plná šířka a středové souřadnice zaostření se získává pomocí zpracování obrazu a souřadnice zaostření jsou porovnány s počáteční polohou, aby se získala data posunu v rovině. Po 1 hodině kontinuálního vysoce výkonného laserového ozáření se platforma z osy přesune zpět do vzdálenosti posunu ohniskové roviny, aby se získal posun zařízení podél optické ose. Posun ohniskové roviny komerční objektivu je 213 um, zatímco fokální rovina offsetu superlens 4H-SIC je pouze 13 um, což naznačuje, že má vynikající optickou stabilitu a konzistenci během kontinuálního vysoce výkonného laserového ozáření.
Experiment řezání laseru byl prováděn za použití stejné optické cesty k porovnání vlivu tepelného driftu na účinek zpracování během skutečného procesu řezání laseru. Experiment vybral 4H-SIC oplatky, které je velmi obtížně zpracovatelné, jako řezaný materiál. Optická cesta řezání byla kalibrována testem skenování kroku. Po kalibraci bylo řezání prováděno podél směru X každých 10 minut a byly zaznamenány změny řezného účinku do 1 hodiny. Řezací morfologie průřezu řezné oplatky byla charakterizována optickým mikroskopem (jak je znázorněno na obrázku 4e-F). Výsledky ukázaly, že laserová řezací výkon 4H-SIC superlens zůstal stabilní po 60 minutách provozu, zatímco zaměření komerčního objektivu se po 30 minutách výrazně posunulo směrem k vnitřní straně substrátu. Analýza dat zjistila, že změna hloubky řezání 4H-SIC superlens po 1 hodině provozu byla pouze 11,4% změny komerčního objektivu. Experimentální výsledky ověřily test offsetu ohniskové roviny a odrážely vynikající stabilitu superlenu 4H-SIC ve skutečných průmyslových aplikacích.
Shrnutí a výhled
Tato studie navrhla 4H-SIC superleny, které mohou zmírnit problém s tepelným driftem při zpracování laseru s vysokým výkonem. Experimentální výsledky ukazují, že superleny 4H-SIC dosahuje vynikající tepelné stability a optický výkon díky své vynikající tepelné vodivosti. Superlens benchmarkuje optické ukazatele vysoce výkonných komerčních objektivů objektivů a na základě superbuněk nanokolumn dosahuje efektivní zaměření, které je necitlivé na polarizaci. Problém s přípravou ve velké aperture 4H-SIC Superlens byl úspěšně vyřešen technologií zpracování polovodičů kompatibilní s hromadnou výrobou. Experimenty ukazují, že Superlens dosahuje difrakční zaměření na navrženou ohniskovou délku a vykazuje vynikající stabilitu při kontinuálním ozáření vysoce výkonnému laseru, s extrémně malým posunem zaostření, což je mnohem lepší než komerční objektivy. V aplikacích pro řezání laseru se řezací morfologie pomocí této superlens mění jen málo. Tyto výsledky zdůrazňují vynikající výkon superlenů 4H-SIC ve srovnání s tradičními objektivy objektivů, které obvykle vyžadují komplexní chladicí systémy k dosažení podobných úrovní stability. Těšíme se, s dalším výzkumem a optimalizací se očekává, že 4H-SIC Superlens bude široce používán ve vysoce výkonných laserových systémech a podporuje vývoj souvisejících oblastí. Díky svému kompaktnímu designu a vynikajícím optickým a tepelným výkonem lze tuto novou generaci metasurface aplikovat na pole, jako je rozšířená realita, aerospace a laserové zpracování, což účinně řeší klíčové problémy s tepelným řízením v současném odvětví.
Chen Boyu a Sun Xiaoyu, společní doktorští studenti Zhejiang University a West Lake University, jsou spolu-první autoři a profesor Qiu Min of West Lake University, docent Pan Meiyan z Ji Hua Laboratory, Dr. Du Kaikai z Mude Micro- Společným autorem dokumentu jsou společnost Nano (Hangzhou) Technology Co., Ltd. a výzkumný pracovník Zhao Ding of West Lake University Institute of Optoelectronics. Výzkumné práce byly podporovány Národní přírodní nadací v Číně a provincií pro provincie Guangdong Basic a aplikované základní výzkum a byly také silně podporovány budoucím průmyslovým výzkumným střediskem a pokročilým mikrononovým zpracováním a testováním platformy University West Lake University.
