Di recente, il gruppo di ricerca di Qiu Min presso il futuro Centro di ricerca del settore e la School of Engineering della Westlake University hanno sviluppato con successo un nuovo tipo di dispositivo fotonico in carburo di silicio che può ridurre efficacemente il problema della deriva termica nell'elaborazione laser ad alta potenza. Il team ha utilizzato la tecnologia a semiconduttore per preparare un superlens 4H-SIC ad alta precisione, benchmarking contro obiettivi commerciali ad alte prestazioni e ha raggiunto una messa a fuoco limitata alla diffrazione. Dopo irradiazione laser ad alta potenza a lungo termine, le prestazioni del dispositivo rimangono stabili ed sono quasi inalterate dall'assorbimento del calore. Questo risultato rappresenta una grande svolta nei sistemi laser ad alta potenza e apre nuovi orizzonti per la loro applicazione e il miglioramento dell'efficienza. I risultati della ricerca pertinenti sono stati pubblicati sull'International Journal Advanced Materials con il titolo "4H -sic Metalens: mitigazione dell'effetto di deriva termica nell'irradiazione laser ad alta potenza".
Background di ricerca
Nell'elaborazione laser, la messa a fuoco accurata del raggio è cruciale. Tuttavia, a causa della bassa conduttività termica dei tradizionali materiali obiettivi obiettivi, è difficile dissipare il calore in modo tempestivo ed efficace sotto irradiazione laser ad alta potenza, con conseguente deformazione o fusione della lente a causa dello stress termico, causando una deriva della messa a fuoco, Degrado delle prestazioni ottiche e persino danni irreversibili. Questo problema di deriva termica non solo influisce sull'accuratezza dell'elaborazione, ma limita anche l'efficienza della produzione e l'affidabilità delle attrezzature. Sebbene i dispositivi di raffreddamento possano essere utilizzati per alleviare il problema della dissipazione del calore, aumenta il volume, il peso e il costo del sistema e riduce l'integrazione e l'applicabilità del dispositivo. Pertanto, vi è un urgente bisogno di un nuovo tipo di dispositivo ottico in grado di sopprimere la deriva termica nell'elaborazione laser ad alta potenza mantenendo alte prestazioni ottiche e dimensioni compatte.
Come materiale a semiconduttore di terza generazione, il carburo di silicio (SIC) ha caratteristiche eccellenti come gap di banda largo, alta conducibilità termica, bassa perdita nella banda visibile al vicino infrarosso e eccellente durezza meccanica. Mostra un grande potenziale in dispositivi elettronici ad alta potenza, dispositivi ad alta temperatura e ad alta frequenza, optoelettronica e ottica. Con oltre 20 anni di esperienza nella tecnologia di elaborazione di micro-nano, il gruppo di ricerca di Qiu Min ha sviluppato una tecnologia di elaborazione delle nanostrutture ad alto rapporto di alto livello che è compatibile con la produzione di massa per i materiali 4H-SIC. Sulla base della vasta gamma di capacità di elaborazione di questo processo, il team ha progettato un superlens 4H-SIC di grande apertura con riferimento agli indicatori ottici di obiettivi commerciali ad alte prestazioni. Alla fine, il team di ricerca ha raggiunto con successo dispositivi Superlens ad alte prestazioni che possono funzionare in modo stabilmente e durevole in condizioni difficili, soddisfacendo i rigorosi requisiti del settore per i dispositivi di focalizzazione della trasmissione nell'elaborazione laser ad alta potenza e promuovendo lo sviluppo delle industrie correlate.
Punti salienti della ricerca
In questo studio, il gruppo di ricerca di Qiu Min ha progettato e preparato un superles 4H-SIC omogeneo, che ha ottenuto prestazioni ottiche paragonabili a quelle degli obiettivi oggettive commerciali e ha ridotto con successo l'effetto di deriva termica sotto irradiazione laser ad alta potenza (come mostrato nella Figura 1) . Il materiale 4H-SIC selezionato presenta i vantaggi dell'elevato indice di rifrazione, la bassa perdita nella gamma spettrale visibile a quello del vicino infrarosso, l'eccellente durezza meccanica, la resistenza chimica e l'elevata conducibilità termica. I risultati dei test ottici mostrano che il Superlens 4H-SIC ha prestazioni ottiche paragonabili a quelle delle lenti oggettive commerciali. Nel test di irradiazione laser ad alta potenza, è stata simulata un'elaborazione continua a lungo termine in condizioni di lavoro dure e i Superlens 4H-SIC hanno mostrato prestazioni stabili, mentre si sbarazza della dipendenza da sistemi di raffreddamento complessi, aprendo nuove prospettive di applicazione per la fotonica SIC .
Questo Superlens 4H-SIC è confrontato con un obiettivo commerciale ad alte prestazioni (Mitutoyo 378-822-5), con un obiettivo di progettazione di 0. 5 Apertura numerica (Na) e 1 cm di lunghezza focale. Vale la pena notare che la larghezza di apertura dei superlens 4H-SIC è di 1,15 cm, che supera la dimensione del raggio tipicamente prodotta dai laser ad alta potenza e ha una vasta gamma di adattabilità. Al fine di bilanciare la progettazione e la preparazione, il dispositivo utilizza nanopillari isotropi come supercell (come mostrato nella Figura 2A), con un'altezza di H=1 µm, per fornire una fase dinamica sotto forma di guide d'onda troncate. Il periodo tra supercell adiacenti è P=0. 6 µm, in cui è possibile ottenere una messa a fuoco limitata alla diffrazione. Poiché la birifrangenza di 4H-SIC provoca una leggera differenza di fase tra incidenti polarizzati X e Y, il team di ricerca ha ottimizzato ogni supercella riducendo al minimo il fattore di qualità. Infine, si ottengono supercelle di 8 dimensioni (Figura 2B-D) e ogni supercella selezionata raggiunge la corrispondente modulazione della fase target a una lunghezza d'onda di 1. 0 60 µm, pur avendo un'alta trasmissione maggiore di 0,85 ed essendo insensibile alla polarizzazione.
La preparazione di 4H-SIC Superlens adotta una serie di tecnologie di elaborazione dei semiconduttori come la litografia del fascio di elettroni, la deposizione fisica del vapore e l'attacco al plasma accoppiato induttivamente. I nanopillari ad alto rapporto di aspetto completamente riempiti sono stati elaborati sulla superficie del substrato di 1,15 × 1,15 cm². Come mostrato nella Figura 3a-e, il periodo della struttura è 6 0 0 nm, il fattore di riempimento è da 0,3 a 0,78 e l'altezza della struttura è 1,009 µm misurata mediante microscopia elettronica a scansione e microscopia a forza atomica. I risultati della caratterizzazione del campione dimostrano l'eccellenza della tecnologia di elaborazione. Questo metodo di preparazione della supersurface di grande area di grande area, ad alta precisione e ad alto aspetto può essere applicato a dispositivi simili per raggiungere la produzione di massa.
Le prestazioni ottiche del Superlens 4H-SIC sono state testate utilizzando un sistema di imaging per microscopia a trasmissione auto-costruita (come mostrato nella Figura 3F). Il sistema guida verticalmente un laser parallelo con una lunghezza d'onda di 1 0 30 nm al 4H-SIC Superlens e realizza l'imaging CCD attraverso un sistema di microscopio coassiale. È stato eseguito un test di scansione graduale all'interno dell'intervallo di ± 35 µm sul piano focale e è stata ottenuta l'imaging del piano focale e del campo focale (come mostrato nella Figura 3G-H). L'analisi dei dati mostra che il campo focale a una lunghezza focale di 1 cm presenta una distribuzione gaussiana regolare. La distribuzione dell'intensità della luce nel test del piano focale ha mostrato eccellenti prestazioni di messa a fuoco (Figura 3i-J) e la larghezza a mezza altezza della messa a fuoco era di 2,9 µm. Secondo i risultati del test, l'efficienza di messa a fuoco di 4H-SIC Superlens è calcolata in un 96,31%. Le superfici incidenti e di uscita dei superlens 4H-SIC sono state misurate utilizzando un misuratore di potenza ottico e la trasmittanza del dispositivo è stata misurata in 0,71. Sulla base di questi risultati dei test ottici, il Superlens 4H-SIC presenta indicatori ottici paragonabili alle lenti oggettive commerciali e può ottenere le stesse capacità di elaborazione nei sistemi di elaborazione laser.
Al fine di simulare le dure condizioni di elaborazione continua ad alta potenza nell'elaborazione laser, lo stesso percorso ottico del test ottico è stato utilizzato nel test di deriva termica, ma la sorgente luminosa è stata sostituita con un 15 W 1 0 30 nm laser. Le variazioni della temperatura del dispositivo, del piano focale e dell'effetto di taglio del 4H-SIC Superlens e delle lenti oggettive commerciali sono stati testati per 1 ora di funzionamento continuo. Le variazioni della temperatura superficiale del dispositivo misurate da un imager termico a infrarossi sono mostrate nella Figura 4A-B. Dopo 60 minuti di irradiazione laser ad alta potenza, la temperatura del dispositivo dei Superlen 4H-SIC è aumentata solo di 3,2 gradi e il cambiamento di temperatura era solo del 6% della lente oggettiva (aumento della temperatura di 54,0 gradi). Rispetto alle tradizionali obiettivi obiettivi, i superlens 4H-SIC possono raggiungere una temperatura stabile dopo aver funzionato per circa 10 minuti senza ulteriori componenti di raffreddamento e la variazione della temperatura è inferiore e la temperatura operativa è inferiore. Questa eccellente performance di gestione termica dimostra l'efficacia dei Superlens 4H-SIC in condizioni di lavoro difficili.
Al fine di riflettere le variazioni delle prestazioni ottiche del dispositivo, il CCD è stato utilizzato per registrare l'offset del piano focale del dispositivo entro 1 ora (come mostrato nella Figura 4C-D). I risultati del test mostrano che il focus del 4H-SIC Superlens non ha un evidente offset, mentre il focus dell'obiettivo commerciale ha un evidente offset dopo 30 minuti e infine il CCD non può essere ripreso a causa di un eccessivo offset. Le coordinate a mezza altezza della larghezza e del centro della messa a fuoco sono ottenute mediante elaborazione delle immagini e le coordinate di messa a fuoco vengono confrontate con la posizione iniziale per ottenere i dati di spostamento in piano. Dopo 1 ora di irradiazione laser ad alta potenza continua, la piattaforma dell'asse z viene riportata alla distanza di spostamento del piano focale per ottenere l'offset del dispositivo lungo l'asse ottico. L'offset del piano focale della lente oggettiva commerciale è di 213 µm, mentre l'offset del piano focale del 4H-SIC Superlens è solo 13 µm, indicando che ha un'eccellente stabilità ottica e coerenza durante l'irradiazione laser ad alta potenza continua.
L'esperimento di taglio laser è stato condotto utilizzando lo stesso percorso ottico per confrontare l'influenza della deriva termica sull'effetto di elaborazione durante il processo di taglio laser effettivo. L'esperimento ha selezionato wafer 4H-SIC, che sono estremamente difficili da elaborare, come materiale di taglio. Il percorso ottico di taglio è stato calibrato dal test di scansione a gradini. Dopo la calibrazione, il taglio è stato eseguito lungo la direzione X ogni 10 minuti e sono state registrate le variazioni dell'effetto di taglio entro 1 ora. La morfologia di taglio della sezione trasversale del wafer tagliato è stata caratterizzata da un microscopio ottico (come mostrato nella Figura 4E-F). I risultati hanno mostrato che le prestazioni di taglio laser dei superlens 4H-SIC sono rimasti stabili dopo 60 minuti di funzionamento, mentre il focus della lente oggettiva commerciale si è spostata significativamente verso l'interno del substrato dopo 30 minuti. L'analisi dei dati ha rilevato che la variazione di riduzione della profondità dei superlens 4H dopo 1 ora di funzionamento era solo dell'11,4% di quella della lente oggettiva commerciale. I risultati sperimentali hanno verificato il test dell'offset del piano focale e riflettono la stabilità del dispositivo superiore del 4H-SIC Superlens nelle attuali applicazioni industriali.
Riepilogo e prospettiva
Questo studio ha proposto un superlens 4H-SIC che può alleviare il problema della deriva termica nell'elaborazione laser ad alta potenza. I risultati sperimentali mostrano che i Superlens 4H-SIC raggiungono un'eccellente stabilità termica e prestazioni ottiche grazie alla sua eccellente conducibilità termica. I benchmark di Superlens gli indicatori ottici di lenti oggettive commerciali ad alte prestazioni e basati su supercell Nanocolumn, raggiunge una messa a fuoco efficiente che è insensibile alla polarizzazione. Il problema di preparazione di Superlens 4H-SIC di grandi dimensioni è stato risolto con successo attraverso la tecnologia di elaborazione dei semiconduttori compatibile con la produzione di massa. Gli esperimenti mostrano che i Superlens raggiungono la messa a fuoco limitata alla diffrazione alla lunghezza focale progettata e presenta un'eccellente stabilità sotto l'irradiazione laser ad alta potenza continua, con spostamento di messa a fuoco estremamente piccolo, che è molto meglio delle lenti oggettive commerciali. Nelle applicazioni di taglio laser, la morfologia del taglio che utilizza questo Superlens cambia poco. Questi risultati evidenziano le prestazioni superiori dei superlens 4H-SIC rispetto alle tradizionali obiettivi obiettivi, che di solito richiedono sistemi di raffreddamento complessi per raggiungere livelli simili di stabilità. In attesa, con ulteriori ricerche e ottimizzazione, i Superlens 4H-SIC dovrebbero essere ampiamente utilizzati nei sistemi laser ad alta potenza e promuovere lo sviluppo di campi correlati. Con la sua progettazione compatta e eccellenti prestazioni ottiche e termiche, questa nuova generazione di dispositivi Metasurface può essere applicata a campi come la realtà aumentata, l'elaborazione aerospaziale e laser, risolvendo efficacemente i principali problemi di gestione termica nel settore attuale.
Chen Boyu e Sun Xiaoyu, studenti di dottorato congiunto della Zhejiang University e West Lake University, sono i co-prima autori e il professor Qiu Min della West Lake University, ricercatore associato Pan Meiyan di Ji Hua Laboratory, Dr. Du Kaikai di Mude Micro- Nano (Hangzhou) Technology Co., Ltd. e il ricercatore Zhao Ding del West Lake University Institute of Optoelectronics sono autori coordinanti del documento. Il lavoro di ricerca è stato supportato dalla National Natural Science Foundation della Cina e dal Fondo di ricerca di base di base e di base applicato del Guangdong ed è stato anche fortemente supportato dal futuro Centro di ricerca del settore e dalla piattaforma avanzata di elaborazione e test di micro-nano della West Lake University.
