Baru-baru ini, Kumpulan Penyelidikan Qiu Min di Pusat Penyelidikan Industri Masa Depan dan Sekolah Kejuruteraan di Westlake University berjaya membangunkan jenis peranti fotonik karbida silikon baru yang dapat mengurangkan masalah hanyut terma dalam pemprosesan laser kuasa tinggi. Pasukan ini menggunakan teknologi semikonduktor untuk menyediakan superlens 4H-SIC yang tinggi, ketepatan tinggi, yang ditanda aras terhadap kanta objektif komersial berprestasi tinggi, dan mencapai fokus yang terhad. Selepas penyinaran laser kuasa tinggi jangka panjang, prestasi peranti tetap stabil dan hampir tidak terjejas oleh penyerapan haba. Pencapaian ini merupakan kejayaan besar dalam sistem laser kuasa tinggi dan membuka cakrawala baru untuk peningkatan aplikasi dan kecekapan mereka. Keputusan penyelidikan yang berkaitan telah diterbitkan dalam Jurnal Antarabangsa Bahan Lanjutan di bawah tajuk "4H -SIC Metalens: Mitigasi Kesan DryMal Drermal dalam Penyinaran Laser Kuasa Tinggi".
Latar belakang penyelidikan
Dalam pemprosesan laser, tumpuan rasuk yang tepat adalah penting. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh kekonduksian terma yang rendah bahan lensa objektif tradisional, sukar untuk menghilangkan haba dengan cara yang tepat pada masanya dan berkesan di bawah penyinaran laser kuasa tinggi, mengakibatkan ubah bentuk atau lebur lensa akibat tekanan terma, menyebabkan fokus hanyut, Degradasi prestasi optik, dan juga kerosakan yang tidak dapat dipulihkan. Masalah drift terma ini bukan sahaja memberi kesan kepada ketepatan pemprosesan, tetapi juga mengehadkan kecekapan pengeluaran dan kebolehpercayaan peralatan. Walaupun peranti penyejukan boleh digunakan untuk mengurangkan masalah pelesapan haba, ia meningkatkan jumlah, berat dan kos sistem, dan mengurangkan integrasi dan kebolehgunaan peranti. Oleh itu, terdapat keperluan mendesak untuk jenis peranti optik baru yang dapat menindas drift terma dalam pemprosesan laser kuasa tinggi sambil mengekalkan prestasi optik yang tinggi dan saiz padat.
Sebagai bahan semikonduktor generasi ketiga, silikon karbida (sic) mempunyai ciri-ciri yang sangat baik seperti bandgap yang luas, kekonduksian terma yang tinggi, kehilangan rendah dalam band inframerah dekat, dan kekerasan mekanikal yang sangat baik. Ia menunjukkan potensi yang besar dalam peranti elektronik berkuasa tinggi, suhu suhu tinggi dan frekuensi tinggi, optoelektronik dan optik. Dengan lebih daripada 20 tahun pengalaman dalam teknologi pemprosesan mikro-nano, kumpulan penyelidikan Qiu Min telah membangunkan teknologi pemprosesan nanostruktur nanostruktur nano-aspek besar yang bersesuaian dengan pengeluaran besar-besaran untuk bahan 4H-SIC. Berdasarkan pelbagai keupayaan pemprosesan proses ini, pasukan itu merancang superlens 4H-SIC yang besar dengan merujuk kepada petunjuk optik kanta objektif komersial berprestasi tinggi. Akhirnya, pasukan penyelidikan berjaya mencapai peranti superlens berprestasi tinggi yang boleh berfungsi dengan stabil dan tahan lama di bawah keadaan yang keras, memenuhi keperluan ketat industri untuk peranti fokus penghantaran dalam pemprosesan laser kuasa tinggi dan mempromosikan pembangunan industri berkaitan.
Sorotan penyelidikan
Dalam kajian ini, kumpulan penyelidikan Qiu Min merancang dan menyediakan superlens 4H-SIC homogen, yang mencapai prestasi optik yang setanding dengan kanta objektif komersial, dan berjaya mengurangkan kesan hanyutan terma di bawah penyinaran laser kuasa tinggi (seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1) . Bahan 4H-SIC yang dipilih mempunyai kelebihan indeks biasan yang tinggi, kehilangan rendah dalam jarak spektrum inframerah dekat, kekerasan mekanikal yang sangat baik, rintangan kimia, dan kekonduksian terma yang tinggi. Hasil ujian optik menunjukkan bahawa superlens 4H-SIC mempunyai prestasi optik yang setanding dengan kanta objektif komersial. Dalam ujian penyinaran laser kuasa tinggi, pemprosesan berterusan jangka panjang di bawah keadaan kerja keras telah disimulasikan, dan superlens 4H-SIC menunjukkan prestasi yang stabil, sambil menyingkirkan kebergantungan pada sistem penyejukan kompleks, membuka prospek aplikasi baru untuk fotonik SIC .
Superlens 4H-SIC ini ditanda aras terhadap lensa objektif komersial berprestasi tinggi (Mitutoyo 378-822-5), dengan sasaran reka bentuk 0. Perlu diingat bahawa lebar aperture 4H-SIC Superlens adalah 1.15 cm, yang melebihi saiz rasuk yang biasanya dihasilkan oleh laser kuasa tinggi dan mempunyai pelbagai penyesuaian. Untuk mengimbangi reka bentuk dan penyediaan, peranti menggunakan nanopillar isotropik sebagai supercells (seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2a), dengan ketinggian H=1 μm, untuk menyediakan fasa dinamik dalam bentuk gelombang gelombang yang dipenggal. Tempoh antara supercells bersebelahan adalah p=0. 6 μm, di mana fokus yang terhad difraksi dapat dicapai. Oleh kerana birefringence 4H-SIC menyebabkan perbezaan fasa sedikit antara insiden X dan Y polarisasi, pasukan penyelidikan mengoptimumkan setiap supercell dengan meminimumkan faktor kualiti. Akhirnya, supercells dari 8 saiz diperolehi (Rajah 2b-d), dan setiap supercell yang dipilih mencapai modulasi fasa sasaran yang sepadan pada panjang gelombang 1. kepada polarisasi.
Penyediaan superlens 4H-SIC mengamalkan satu siri teknologi pemprosesan semikonduktor seperti litografi rasuk elektron, pemendapan wap fizikal dan etsa plasma yang digabungkan secara induktif. Nisbah aspek tinggi yang dipenuhi sepenuhnya telah diproses pada permukaan substrat 1.15 × 1.15 cm². Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3A-E, tempoh struktur adalah 6 0 0 nm, faktor pengisian adalah 0.3 hingga 0.78, dan ketinggian struktur adalah 1.009 μm diukur dengan mengimbas mikroskop elektron dan mikroskop daya atom. Hasil pencirian sampel membuktikan kecemerlangan teknologi pemprosesan. Kaedah penyediaan nisbah tinggi, ketepatan tinggi dan tinggi ini boleh digunakan untuk peranti yang sama untuk mencapai pengeluaran besar-besaran.
Prestasi optik superlens 4H-SIC diuji menggunakan sistem pengimejan mikroskopi penghantaran sendiri (seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3F). Sistem ini secara menegak membimbing laser selari dengan panjang gelombang 1 0 30 nm ke superlens 4H-SIC dan menyedari pengimejan CCD melalui sistem mikroskop sepaksi. Ujian langkah-langkah dilakukan dalam lingkungan ± 35 μm pada satah fokus, dan pengimejan satah fokus dan medan fokus diperoleh (seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3G-H). Analisis data menunjukkan bahawa medan fokus pada panjang fokus 1 cm membentangkan taburan Gaussian yang lancar. Pengagihan intensiti cahaya dalam ujian pesawat fokus menunjukkan prestasi fokus yang sangat baik (Rajah 3I-J), dan lebar penuh ketinggian fokus adalah 2.9 μm. Menurut keputusan ujian, kecekapan fokus superlens 4H-SIC dikira menjadi 96.31%. Insiden dan permukaan keluar dari superlens 4H-SIC diukur menggunakan meter kuasa optik, dan transmisi peranti diukur menjadi 0.71. Berdasarkan keputusan ujian optik ini, superlens 4H-SIC mempamerkan petunjuk optik yang setanding dengan kanta objektif komersial, dan dapat mencapai keupayaan pemprosesan yang sama dalam sistem pemprosesan laser.
Untuk mensimulasikan keadaan pemprosesan berterusan kuasa tinggi yang keras dalam pemprosesan laser, laluan optik yang sama seperti ujian optik digunakan dalam ujian drift terma, tetapi sumber cahaya digantikan dengan 15 W 1 0 30 nm laser. Perubahan suhu peranti, satah fokus, dan kesan pemotongan 4H-SIC Superlens dan lensa objektif komersial telah diuji selama 1 jam operasi berterusan. Perubahan suhu permukaan peranti yang diukur oleh pengimejan haba inframerah ditunjukkan dalam Rajah 4A-B. Selepas 60 minit penyinaran laser kuasa tinggi, suhu peranti superlens 4H-SIC hanya meningkat sebanyak 3.2 darjah, dan perubahan suhu hanya 6% daripada lensa objektif (kenaikan suhu 54.0 darjah). Berbanding dengan kanta objektif tradisional, superlens 4H-SIC boleh mencapai suhu yang stabil selepas berjalan selama kira-kira 10 minit tanpa komponen penyejukan tambahan, dan perubahan suhu lebih kecil dan suhu operasi lebih rendah. Prestasi pengurusan terma yang sangat baik ini menunjukkan keberkesanan superlens 4H-SIC di bawah keadaan kerja keras.
Untuk mencerminkan perubahan dalam prestasi optik peranti, CCD digunakan untuk merekodkan pesawat fokus mengimbangi peranti dalam masa 1 jam (seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4C-D). Hasil ujian menunjukkan bahawa tumpuan superlens 4H-SIC tidak mempunyai offset yang jelas, sementara fokus lensa objektif komersial telah diimbangi jelas selepas 30 minit, dan akhirnya CCD tidak dapat dicatatkan disebabkan oleh mengimbangi yang berlebihan. Koordinat lebar penuh dan koordinat pusat fokus diperolehi oleh pemprosesan imej, dan koordinat fokus dibandingkan dengan kedudukan awal untuk mendapatkan data anjakan dalam pesawat. Selepas 1 jam penyinaran laser kuasa tinggi yang berterusan, platform paksi Z dipindahkan ke jarak anjakan satah fokus untuk mendapatkan offset peranti di sepanjang paksi optik. Pesawat fokus yang mengimbangi kanta objektif komersial adalah 213 μm, manakala pesawat fokus mengimbangi superlens 4H-SIC hanya 13 μm, menunjukkan bahawa ia mempunyai kestabilan dan konsistensi optik yang sangat baik semasa penyinaran laser kuasa tinggi yang berterusan.
Eksperimen pemotongan laser dijalankan menggunakan laluan optik yang sama untuk membandingkan pengaruh hanyut haba pada kesan pemprosesan semasa proses pemotongan laser sebenar. Eksperimen ini memilih wafer 4H-SIC, yang sangat sukar untuk diproses, sebagai bahan potong. Laluan optik pemotongan telah ditentukur oleh ujian pengimbasan langkah. Selepas penentukuran, pemotongan dilakukan di sepanjang arah x setiap 10 minit, dan perubahan dalam kesan pemotongan dalam masa 1 jam dicatatkan. Morfologi pemotongan bahagian silang wafer potong dicirikan oleh mikroskop optik (seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4E-F). Keputusan menunjukkan bahawa prestasi pemotongan laser dari superlens 4H-SIC kekal stabil selepas 60 minit operasi, sementara tumpuan kanta objektif komersial beralih dengan ketara ke arah bahagian dalam substrat selepas 30 minit. Analisis data mendapati bahawa perubahan kedalaman pemotongan superlens 4H-SIC selepas 1 jam operasi hanya 11.4% daripada lensa objektif komersial. Hasil eksperimen mengesahkan ujian pesawat fokus mengimbangi dan mencerminkan kestabilan peranti unggul dari superlens 4H-SIC dalam aplikasi perindustrian sebenar.
Ringkasan dan pandangan
Kajian ini mencadangkan superlens 4H-SIC yang dapat mengurangkan masalah drift terma dalam pemprosesan laser kuasa tinggi. Hasil eksperimen menunjukkan bahawa superlens 4H-SIC mencapai kestabilan haba yang sangat baik dan prestasi optik kerana kekonduksian terma yang sangat baik. Penanda aras Superlens Penunjuk optik kanta objektif komersial berprestasi tinggi, dan berdasarkan supercells nanocolumn, ia mencapai fokus yang cekap yang tidak sensitif terhadap polarisasi. Masalah penyediaan superlens 4H-SIC besar-besaran telah berjaya diselesaikan melalui teknologi pemprosesan semikonduktor yang serasi dengan pengeluaran besar-besaran. Eksperimen menunjukkan bahawa superlens mencapai fokus yang terhad pada fokus pada panjang fokus yang direka dan mempamerkan kestabilan yang sangat baik di bawah penyinaran laser kuasa tinggi yang berterusan, dengan peralihan fokus yang sangat kecil, yang jauh lebih baik daripada kanta objektif komersial. Dalam aplikasi pemotongan laser, morfologi pemotongan menggunakan superlens ini sedikit berubah. Keputusan ini menyerlahkan prestasi unggul superlens 4H-SIC berbanding dengan kanta objektif tradisional, yang biasanya memerlukan sistem penyejukan kompleks untuk mencapai tahap kestabilan yang sama. Melihat ke hadapan, dengan penyelidikan dan pengoptimuman lanjut, superlens 4H-SIC dijangka digunakan secara meluas dalam sistem laser kuasa tinggi dan menggalakkan pembangunan bidang yang berkaitan. Dengan reka bentuk padat dan prestasi optik dan terma yang sangat baik, generasi baru peranti metasurface ini boleh digunakan untuk bidang seperti realiti tambahan, pemprosesan aeroangkasa dan laser, dengan berkesan menyelesaikan masalah pengurusan terma utama dalam industri semasa.
Chen Boyu dan Sun Xiaoyu, pelajar kedoktoran bersama Zhejiang University dan West Lake University, adalah pengarang bersama bersama, dan Profesor Qiu min dari West Lake University, penyelidik bersekutu Pan Meiyan dari makmal Ji Hua, Dr. Du Kaikai dari mikro lentur Nano (Hangzhou) Technology Co., Ltd., dan penyelidik Zhao Ding dari West Lake University Institute of Optoelectronics adalah pengarang bersama kertas. Kerja-kerja penyelidikan ini disokong oleh Yayasan Sains Asli Negara China dan Dana Penyelidikan Asas Basic Guangdong Provincial, dan juga disokong oleh Pusat Penyelidikan Industri Masa Depan dan platform pemprosesan dan ujian mikro-nano yang maju di West Lake University.
