Nyligen utvecklade Qiu Mins forskningsgrupp vid Future Industry Research Center och School of Engineering vid Westlake University framgångsrikt en ny typ av fotonisk kiselkarbid som effektivt kan minska det termiska driftproblemet i högeffekt laserbehandling. Teamet använde halvledarteknologi för att förbereda en stor Apperture, högprecision 4h-SIC superlens, benchmarked mot högpresterande kommersiella objektivlinser och uppnådde diffraktionsbegränsad fokusering. Efter långvarig högeffekt laserbestrålning förblir enhetens prestanda stabil och påverkas nästan av värmeabsorption. Denna prestation representerar ett stort genombrott i högeffektiva lasersystem och öppnar upp nya horisonter för deras tillämpning och effektivitetsförbättring. De relevanta forskningsresultaten publicerades i International Journal Advanced Materials under titeln "4H -SIC Metalens: Mitigerande termisk drifteffekt i högeffekt laserbestrålning".
Forskningsbakgrund
Vid laserbearbetning är exakt strålfokusering avgörande. På grund av den låga värmeledningsförmågan hos traditionella objektiva linsmaterial är det emellertid svårt att sprida värme på ett snabbt och effektivt sätt under högeffekt laserbestrålning, vilket resulterar i deformation eller smältning av linsen på grund av termisk stress, orsakar fokusdrift, Nedbrytning av optisk prestanda och till och med irreversibel skada. Detta termiska driftproblem påverkar inte bara bearbetningsnoggrannheten, utan begränsar också produktionseffektivitet och utrustningens tillförlitlighet. Även om kylanordningar kan användas för att lindra problemet med värmeavledningen, ökar systemets volym, vikt och kostnad och minskar enhetens integration och tillämpbarhet. Därför finns det ett brådskande behov av en ny typ av optisk anordning som kan undertrycka termisk drift i högeffekt laserbearbetning samtidigt som hög optisk prestanda håller hög optisk och kompakt.
Som ett tredje generationens halvledarmaterial har kiselkarbid (SIC) utmärkta egenskaper såsom bred bandgap, hög värmeledningsförmåga, låg förlust i det synliga för nästan infraröd band och utmärkt mekanisk hårdhet. Det visar stor potential i elektroniska enheter med hög effekt, högtemperatur och högfrekventa enheter, optoelektronik och optik. Med mer än 20 års erfarenhet av mikro-nano-bearbetningsteknik har QIU Mins forskningsgrupp utvecklat en stor-area, högaspekt-förhållande nanostrukturbearbetningsteknologi som är kompatibel med massproduktion för 4H-SIC-material. Baserat på det stora utbudet av bearbetningsfunktioner i denna process designade teamet en stor Apperture 4H-SIC-superlens med hänvisning till de optiska indikatorerna för högpresterande kommersiella objektivlinser. I slutändan uppnådde forskarteamet framgångsrikt högpresterande superlens som kan fungera stabilt och hållbart under hårda förhållanden, uppfylla branschens strikta krav för överföringsfokuseringsenheter i högeffekt laserbearbetning och främja utvecklingen av relaterade industrier.
Forskningshöjdpunkter
I denna studie designade och framställde Qiu Mins forskningsgrupp en homogen 4H-SIC-superlens, som uppnådde optisk prestanda som är jämförbar med den för kommersiella objektiva linser och minskade framgångsrikt den termiska drifteffekten under högeffekt laserbestrålning (som visas i figur 1) . Det valda 4H-SIC-materialet har fördelarna med högt brytningsindex, låg förlust i det synliga till nära infraröd spektralområde, utmärkt mekanisk hårdhet, kemisk motstånd och hög värmeledningsförmåga. De optiska testresultaten visar att 4h-SIC superlens har optisk prestanda som kan jämföras med den för kommersiella objektivlinser. I det högeffektiva laserbestrålningstestet simulerades långsiktig kontinuerlig bearbetning under hårda arbetsförhållanden, och 4h-SIC-superlenserna visade stabila prestanda, samtidigt som det blev av med beroendet av komplexa kylsystem och öppnade nya applikationsperspektiv för SIC-fotonik .
Denna 4H-SIC-superlens är benchmarked mot en högpresterande kommersiellt objektivlins (Mitutoyo 378-822-5), med ett designmål för 0. 5 numerisk bländare (na) och 1 cm fokal längd. Det är värt att notera att öppningsbredden för 4h-Sic Superlens är 1,15 cm, vilket överskrider strålstorleken som vanligtvis produceras av högeffektiva lasrar och har ett brett utbud av anpassningsförmåga. För att balansera design och beredning använder enheten isotropa nanopillarer som superceller (såsom visas i figur 2A), med en höjd av H=1 µm, för att ge dynamisk fas i form av trunkerade vågledare. Perioden mellan angränsande superceller är p=0. 6 um, vid vilken diffraktionsbegränsad fokusering kan uppnås. Eftersom dubbelbrytningen av 4H-SIC orsakar en liten fasskillnad mellan X- och Y-polariserade incidenter, optimerade forskarteamet varje supercell genom att minimera kvalitetsfaktorn. Slutligen erhålls superceller av 8 storlekar (figur 2B-D), och varje utvalda supercell uppnår motsvarande målfasmodulering vid en våglängd av 1. 0 60 um, medan de har en hög transmission större än 0,85 och är okänslig av 1. till polarisering.
Beredningen av 4H-SIC Superlens antar en serie halvledarteknologier såsom elektronstrålitografi, fysisk ångavsättning och induktivt kopplad plasmaetsning. Fullt fyllt högt aspektförhållande nanopillarer bearbetades på underlagsytan på 1,15 × 1,15 cm². Såsom visas i figur 3A-E är strukturperioden 6 0 0 nm, fyllningsfaktorn är 0,3 till 0,78, och strukturhöjden är 1,009 um mätt med skanningselektronmikroskopi och atomkraftsmikroskopi. Exempel på karakteriseringsresultaten bevisar att bearbetningstekniken är excellens. Denna stora områdes, högprecision, högaspektförhållande supersurface-beredningsmetod kan tillämpas på liknande enheter för att uppnå massproduktion.
Den optiska prestanda för 4h-SIC-superlens testades med användning av ett självbyggt transmissionsmikroskopiavbildningssystem (såsom visas i figur 3F). Systemet leder vertikalt en parallell laser med en våglängd av 1 0 30 nm till 4h-SIC-superlens och inser CCD-avbildning genom ett koaxiellt mikroskopsystem. Ett stegskanningstest utfördes inom området ± 35 um på fokalplanet, och avbildning av fokalplanet och fokalfältet erhölls (såsom visas i figur 3G-H). Dataanalys visar att brännvidden med en brännvidd på 1 cm utgör en smidig Gaussisk fördelning. Ljusintensitetsfördelningen i fokaltestet visade utmärkt fokuseringsprestanda (figur 3I-J), och halvhöjdens fulla bredd i fokus var 2,9 um. Enligt testresultaten beräknas fokuseringseffektiviteten för 4h-SIC-superlens till 96,31%. Händelsen och utgångsytorna för 4h-SIC-superlens mättes med användning av en optisk kraftmätare, och enhetens överföring mättes till 0,71. Baserat på dessa optiska testresultat uppvisar 4H-SIC Superlens optiska indikatorer som är jämförbara med kommersiella objektivlinser och kan uppnå samma bearbetningsfunktioner i laserbearbetningssystem.
För att simulera de hårda kontinuerliga bearbetningsförhållandena med hög effekt vid laserbearbetning användes samma optiska väg som det optiska testet i det termiska drifttestet, men ljuskällan ersattes med en 15 W 1 0 30 nm laser. Förändringarna i enhetstemperatur, fokalplan och skäreffekt av 4h-SIC-superlens och kommersiella objektivlins testades under en timmes kontinuerlig drift. Förändringarna i enhetens yttemperatur mätt med en infraröd termisk bildt visas i figur 4A-B. Efter 60 minuter med högeffekt laserbestrålning ökade anordningstemperaturen för 4h-SIC-superlens endast med 3,2 grader, och temperaturförändringen var endast 6% av objektivlinsen (temperaturökningen på 54,0 grader). Jämfört med traditionella objektiva linser kan 4h-SIC-superlens nå en stabil temperatur efter att ha körts i cirka 10 minuter utan ytterligare kylkomponenter, och temperaturförändringen är mindre och driftstemperaturen är lägre. Denna utmärkta termiska hanteringsprestanda visar effektiviteten hos 4h-SIC-superlens under hårda arbetsförhållanden.
För att återspegla förändringarna i enhetens optiska prestanda användes CCD för att registrera fokalplanförskjutningen av enheten inom en timme (som visas i figur 4C-D). Testresultaten visar att fokus för 4h-SIC-superlensen inte har någon uppenbar förskjutning, medan fokus för det kommersiella objektivlinset har uppenbar kompensation efter 30 minuter, och slutligen kan CCD inte avbildas på grund av överdriven förskjutning. De halvhöjda bredd- och mittkoordinaterna för fokus erhålls genom bildbehandling, och fokuskoordinaterna jämförs med den initiala positionen för att erhålla förskjutningsdata i planet. Efter en timmes kontinuerlig högeffekt laserbestrålning flyttas z-axelplattformen tillbaka till förflyttningsavståndet för fokalplanet för att erhålla enheten av enheten längs den optiska axeln. Fokalplanförskjutningen av det kommersiella objektivlinsen är 213 um, medan fokalplanförskjutningen av 4H-SIC-superlensna endast är 13 um, vilket indikerar att den har utmärkt optisk stabilitet och konsistens under kontinuerlig laserbestrålning.
Laserskärningsexperimentet utfördes med användning av samma optiska väg för att jämföra påverkan av termisk drift på bearbetningseffekten under den faktiska laserskärningsprocessen. Experimentet valde 4H-SIC Wafers, som är extremt svåra att bearbeta, som det klippta materialet. Den skärande optiska banan kalibrerades genom stegskanningstest. Efter kalibrering utfördes skärning längs X -riktningen var tionde minut, och förändringarna i skäreffekten inom 1 timme registrerades. Den skärande morfologin för tvärsnittet av skuren skiva kännetecknades av ett optiskt mikroskop (såsom visas i figur 4E-F). Resultaten visade att laserskärningsprestandan för 4h-SIC-superlenserna förblev stabila efter 60 minuters drift, medan fokus för det kommersiella objektivlinsen skiftade avsevärt mot insidan av underlaget efter 30 minuter. Dataanalys fann att förändringen i skärdjupet för 4h-SIC-superlens efter 1 timmes drift endast var 11,4% av det kommersiella objektivlins. De experimentella resultaten verifierade testet av fokalplanförskjutning och återspeglade den överlägsna anordningsstabiliteten för 4h-SIC-superlens i faktiska industriella tillämpningar.
Sammanfattning och utsikter
Denna studie föreslog en 4h-SIC-superlens som kan lindra det termiska driftproblemet i högeffekt laserbehandling. Experimentella resultat visar att 4h-Sic Superlens uppnår utmärkt termisk stabilitet och optisk prestanda på grund av dess utmärkta värmeledningsförmåga. Superlens riktar sig till de optiska indikatorerna för högpresterande kommersiella objektivlinser, och baserat på nanokolumn-superceller uppnår den effektiv fokusering som är okänslig för polarisering. Beredningsproblemet med stort 4H-SIC-superlens löstes framgångsrikt genom halvledarbearbetningsteknologi som är kompatibel med massproduktion. Experiment visar att Superlens uppnår diffraktionsbegränsad fokus på den designade brännvidden och uppvisar utmärkt stabilitet under kontinuerlig högeffekt laserbestrålning, med extremt liten fokusskift, vilket är mycket bättre än kommersiella objektivlinser. I laserskärningstillämpningar förändras den skärande morfologin med denna superlens lite. Dessa resultat belyser den överlägsna prestandan för 4h-SIC-superlens jämfört med traditionella objektivlinser, som vanligtvis kräver komplexa kylsystem för att uppnå liknande stabilitetsnivåer. Ser fram emot, med ytterligare forskning och optimering, förväntas 4h-SIC-superlens användas i stor utsträckning i högeffektiva lasersystem och främja utvecklingen av relaterade områden. Med sin kompakta design och utmärkta optiska och termiska prestanda kan denna nya generation av metasytan enheter tillämpas på fält som augmented reality, flyg- och laserbehandling, vilket effektivt löser viktiga termiska hanteringsproblem inom den nuvarande industrin.
Chen Boyu och Sun Xiaoyu, gemensamma doktorander vid Zhejiang University och West Lake University, är de första författarna och professor Qiu Min från West Lake University, biträdande forskare Pan Meiyan från Ji Hua Laboratory, Dr. Du Kaikai från Mude Micro- Nano (Hangzhou) Technology Co., Ltd., och forskaren Zhao Ding från West Lake University Institute of Optoelectronics är de samarbetande författarna till tidningen. Forskningsarbetet stöds av National Natural Science Foundation of China och Guangdong Provincial Basic och tillämpade grundläggande forskningsfond och stöds också starkt av det framtida industrins forskningscenter och Advanced Micro-Nano Processing and Testing Platform vid West Lake University.
