Nedavno je istraživačka grupa Qiu Min u Budućoj industrijskom istraživačkom centru i Univerziteta u školi na Univerzitetu Westlake uspješno razvila novu vrstu silikonskog karbidnog fotonskog uređaja koji može učinkovito smanjiti problem laserskih prerade u visokoj energiji. Tim je koristio poluvodičku tehnologiju za pripremu velikog otvora, visoke preciznosti 4H-sića, referentne protiv komercijalnih objektivnih objektiva visokih performansi i postignute difrakcije - ograničene fokusiranje. Nakon dugoročne laserske zračenje velike snage, performanse uređaja ostaje stabilan i gotovo je netaknuta apsorpcijom topline. Ovo postignuće predstavlja veliki proboj u laserskim sistemima velike snage i otvara nove horizonte za njihovu poboljšanje primjene i efikasnosti. Relevantni rezultati istraživanja objavljeni su u međunarodnom časopisu Napredni materijali pod naslovom "4H -Sic Metalens: ublažavajući toplotni drift efekt u laseru visokoj energiji".
Istraživačka pozadina
U laserskoj obradi je od presudnog značaja za preradu preciznog fokusa. Međutim, zbog niske toplotne provodljivosti materijala za objektivne objektive, teško je rasipati toplinu pravodobno i efikasno pod laserskim ozračivanjem velike snage, što rezultira deformacijom ili topljenjem objektiva, uzrokujući da se fokusiraju, uzrokuju da se fokusiraju Degradacija optičkih performansi, pa čak i nepovratna šteta. Ovaj termalni problem sa driftom ne samo utječe na preciznost obrade, već i ograničava proizvodnu efikasnost i pouzdanost opreme. Iako se rashladni uređaji mogu koristiti za ublažavanje problema sa disipacijom topline, povećava jačinu zvuka, težinu i troškove sustava i smanjuje integraciju i primjenu uređaja. Stoga postoji hitna potreba za novom vrstom optičkog uređaja koji može suzbiti termički drift u laserskoj obradi velike snage uz održavanje visoke optičke performanse i kompaktne veličine.
Kao poluvodički materijal treće generacije, silikonski karbid (SIC) ima odlične karakteristike poput širokog pojasa, visoke toplotne provodljivosti, niski gubitak u vidljivom u blizini benda u blizini i odlične mehaničke tvrdoće. Pokazuje veliki potencijal u elektroničkim uređajima velike snage, visokotemperaturne i visokofrekventne uređaje, optoelektroniku i optiku. Sa više od 20 godina iskustva u mikro-nanoj tehnologiji prerade, istraživačka grupa QIU-a razvila je veliko područje, visoko-aspekt-omjer nanostrukturne tehnologije koja je kompatibilna s masovnom proizvodnjom za 4h-sic materijale. Na osnovu širokog spektra mogućnosti obrade ovog procesa, tim je dizajnirao veliki otvor od 4H-sića u odnosu na optičke pokazatelje visokih performansi komercijalnih objektivnih objektiva. Na kraju je istraživački tim uspješno postigao visoke performanse superlensove uređaje koji mogu raditi sloj i izdržljive pod oštrim uvjetima, ispunjavajući stroge zahtjeve industrije za prijenosnim fokusiranjem uređaja u laserskoj obradi i promoviranje razvoja srodnih industrija.
Istraživanje ističe
U ovoj studiji, istraživačka grupa Qiu Min dizajnirana je i pripremila homogeni superlens 4h-sic, koji su postigli optičke performanse uporedive s onim komercijalnih objektivnih sočiva, a uspješno je smanjio termički drift efekt pod naizmjenicom s visokom energijom (kao što je prikazano na slici 1) . Odabrani 4h-sic materijal ima prednosti visokog indeksa refrakcija, niskog gubitka u vidljivom do skoro infracrvenom spektralnom rasponu, odličnu mehaničku tvrdoću, hemijsku otpornost i visoku toplotnu provodljivost. Rezultati optičkih ispitivanja pokazuju da 4h-sic Superlens ima optičke performanse u usporedbi s onim komercijalnih objektivnih sočiva. U testu laserskih ozračivanja visokog snage, simuliran je dugoročna kontinuirana obrada u teškim radnim uvjetima, a 4H-SIC superlens pokazali su stabilne performanse, dok se riješimo ovisnosti o složenim rashladnim sustavima, otvarajući nove aplikacijske perspektive za SIC fotoniku .
Ovaj 4h-sic superlens je uspoređen u odnosu na registarske objektive visokih performansi (Mitutoyo 378-822-5), sa dizajnerskim ciljem 0. 5 numeričkim otvorom (NA) i 1 cm žarišta. Vrijedi napomenuti da je širina otvora od otvora od 4H-sića 1,15 cm, što prelazi veličina snopa obično proizvodi lasere velike snage i ima širok spektar prilagodljivosti. Da bi se uravnotežio dizajn i pripremu, uređaj koristi izotropne nanopilare kao supercells (kao što je prikazano na slici 2a), sa visinom H=1 μm, za pružanje dinamičke faze u obliku skraćenih valova. Period između susjednih supercela je P=0. 6 μm, na kojem se može postići difrakcija - ograničeno fokusiranje. Budući da je birefrence od 4H-sića izaziva blagu fazu razliku između X- i Y-polariziranih incidenata, istraživački tim optimizirao je svaku superčelu minimiziranjem faktora kvalitete. Konačno, supercells od 8 veličina (Slika 2B-D), a svaki odabrani supercell postiže odgovarajuću ciljnu faznu modulaciju na talasnoj dužini od 1. 0 60 μm, dok ima visoku prenosu veću od 0,85 i neosjetljiva do polarizacije.
Priprema 4H-SIC Superlens prihvata niz tehnologija za preradu poluvodiča kao što su litografija elektronske grede, fizički taloženje pare i induktivno povezane plazme. Potpuno ispunjeni omjer visokih aspekata Nanopilara su obrađeni na površini podloge od 1,15 × 1,15 cm². Kao što je prikazano na slici 3A-E, razdoblje strukture je 6 0 {0 0 {0 0 {0 0 {0 0 {0 0 {0 0 {0 0 {0 0 {0 0 {0 3,3 do 0,78, a visina strukture je 1,009 μm merena skenirajućom mikroskopijom elektrona i mikroskopijom atomske sile. Rezultati karakterizacije uzoraka dokazuju izvrsnost tehnologije obrade. Ovo veliko područje, visoko precizno, metoda pripreme za supersurface visokog redaka za nadzor može se primijeniti na slične uređaje za postizanje masovne proizvodnje.
Optički izvedba 4H-SIC superlensa testirani su samograđenim sistemom mikroskopiranja za prenošenje mikroskopije (kao što je prikazano na slici 3F). Sistem vertikalno vodi paralelni laser sa talasnom dužinom od 1 0 30 nm do 4H-sic superlens i realizira CCD snimanje kroz koaksijalni sistem mikroskopskog sistema. Test olakšica izveden je u rasponu od ± 35 μm na žarišnu ravninu, a za snimanje fokusne ravnine i fokusno polje su dobili (kao što je prikazano na slici 3G-H). Analiza podataka pokazuje da je žarišno polje u žarišnoj duljini od 1 cm predstavlja glatku gausnu distribuciju. Distribucija intenziteta svjetla u testu žarišta pokazala je izvrsne performanse fokusiranja (slika 3i-j), a polovina visine pune širine fokusa iznosila je 2,9 μm. Prema rezultatima ispitivanja, izračunava se efikasnost fokusiranja 4H-sic superlensa za 96,31%. Incident i izlazne površine od 4h-sic superlensa mjerene su korištenjem optičkog mjerača snage, a mjerila je prijenos uređaja za 0,71. Na osnovu ovih optičkih rezultata ispitivanja, 4H-SIC Superlens pokazuje optičke pokazatelje upoređene sa komercijalnim objektivnim objektivima i mogu postići iste mogućnosti prerade u laserskim sistemima za obradu.
Da bi simulirali oštre stalne uvjete za obradu visokog snage u laserskoj obradi, isti optički put kao optički test korišten je u testiranju termičkog drifta, ali izvor svjetlosti zamijenjen je sa 15 W 1 0 30 nm Laser. Promjene u temperaturi uređaja, žarišne ravnine i rezanja efekta od 4H-sic superlensa i komercijalnih objektiva testirani su za 1 sat neprekidnog rada. Promjene površine uređaja mjereno infracrvenim termičkim imagerom prikazane su na slici 4A-b. Nakon 60 minuta laserskog zračenja velike snage, temperatura uređaja od 4H-sic superlensa samo je porasla za 3,2 stepena, a promjena temperature iznosila je samo 6% objektiva (rast temperature od 54,0 stupnjeva). U usporedbi s tradicionalnim objektivnim objektivima, 4H-SIC Superlens mogu dostići stabilnu temperaturu nakon što se trčaju oko 10 minuta bez dodatnih komponenti hlađenja, a promjena temperature je manja, a radna temperatura niža. Ovo izvrsno izvedba termalnog upravljanja pokazuje efikasnost 4H-sic superlensa pod oštrim radnim uvjetima.
Da bi odražavali promjene optičkih performansi uređaja, CCD je korišten za snimanje offset aviona za snimanje uređaja u roku od 1 sata (kao što je prikazano na slici 4C-D). Rezultati ispitivanja pokazuju da se fokus 4H-sic superlensa nema očigledan pomak, dok je fokus komercijalnog objektivnog objektiva očigledan pomak nakon 30. minuti, a konačno se CCD ne može imati zamišljen zbog prekomjernog pomak. Polu-visina Koordinate pune širine i središnje fokusa dobivaju se obradom slika, a koordinate fokusiranja uspoređuju se s početnim položajem za dobivanje podataka o ravninu. Nakon 1 sata neprekidne laserske zračenje visoke snage, platforma Z-Axa se pomaknuta na udaljenost udaljenja u žarišnu ravninu kako bi se dobio pomak uređaja duž optičke osi. Opremanje žarišta komercijalnog objektiva iznosi 213 μm, dok je koncept žarišta od 4H-sic superlensa samo 13 μm, što ukazuje na to da ima odličnu optičku stabilnost i konzistentnost tijekom neprekidne laserske zračenje.
Eksperiment laserskog rezanja izveden je pomoću istog optičkog puta za usporedbu utjecaja toplotnog odlivanja na efekt obrade tokom stvarnog procesa rezanja lasera. Eksperiment je odabrao 4H-sic vafla, koji su izuzetno teško obrađivati, kao rezni materijal. Rezanje optičkog staza kalibriran je testom skeniranja koraka. Nakon kalibracije, rezanje je izvedeno duž smjera x svakih 10 minuta, a promjene u efektu rezanja u roku od 1 sata su zabilježene. Morfologija rezanja presjeka rezanog rezanog karakterizirala je optički mikroskop (kao što je prikazano na slici 4E-F). Rezultati su pokazali da je lasersko rezanje izveštaja 4H-sic superlensa ostalo stabilno nakon 60 minuta rada, dok se fokus komercijalnog objektiva značajno pomaknuo prema unutrašnjosti supstrata nakon 30 minuta. Analiza podataka otkrila je da promjena rezanja dubine 4H-sic superlensa nakon 1 sata rada iznosila je samo 11,4% od komercijalne objektive. Eksperimentalni rezultati provjerili su test offset aviona za žarišta i odražavali superiornu stabilnost uređaja 4h-sic superlensa u stvarnim industrijskim aplikacijama.
Pregled i izgledi
Ova studija predložila je 4h-sic superlens koji mogu ublažiti termalni problem od drifta u laserskoj obradi velike snage. Eksperimentalni rezultati pokazuju da 4h-sic superlens postiže izvrsnu toplinsku stabilnost i optičke performanse zbog odlične toplotne provodljivosti. Superlens referentni optički pokazatelji komercijalnih objekata visokih performansi i zasnovani na nanokolumnim superčelima, postiže efikasno fokusiranje koje je neosjetljiv na polarizaciju. Problem pripreme velikih otvora 4h-sic Superlens uspješno je riješen kroz tehnologiju prerade poluvodiča kompatibilna s masovnom proizvodnjom. Eksperimenti pokazuju da superlens postiže difrakciju - ograničeno fokusiranjem na dizajniranu žarišnu duljinu i izložbe odlične stabilnosti pod neprekidnim laserskim ozračivanjem velike snage, s izuzetno malom promjenom fokusa, što je mnogo bolje od komercijalnih objektivnih objektiva. U laserskim aplikacijama za rezanje, morfologija rezanja pomoću ovog superlensa malo se mijenja. Ovi rezultati ističu vrhunske performanse 4H-sic superlensa u odnosu na tradicionalne objektivne leće, što obično zahtijevaju složene rashladne sustave za postizanje sličnih nivoa stabilnosti. Veselimo se, s daljnjim istraživanjima i optimizacijom, očekuje se da će se 4h-sic superlens biti široko korišten u laserskim sustavima velike snage i promovirati razvoj povezanih polja. Sa svojim kompaktnim dizajnom i izvrsnim optičkim i toplotnim performansama, ova nova generacija metasurface uređaja može se primijeniti na polja kao što su povećana stvarnost, zrakoplovska i laserska obrada, učinkovito rješavanje ključnih problema s termalnim upravljanjem u trenutnoj industriji.
Chen Boyu i Sun Xiaoyu, studenti univerziteta Zhejiang i zapadnog jezera, su prisutni autori i profesor Qiu Min od Sveučilišta u zapadnom jezeru, saradnik Laboratorija Ji Hua, dr. Du Kaikai of Mude Micro- Nano (Hangzhou) Technology Co., Ltd. i istraživač Zhao Ding of University Institute optoelektronike u zapadnom jezeru su koarektivni autori rada. Istraživački rad podržao je Nacionalna prirodna fondacija za nauku Kine i Primijenjeni osnovni istraživački fond i primijenjeni osnovni istraživački fond, a također mu je također podržao budući industrijski istraživački centar i napredna platforma za preradu i testiranje na Univerzaciju i testiranje.
