Onlangs ontwikkelde de onderzoeksgroep van QIU MIN bij het Future Industry Research Center en de School of Engineering van de Westlake University met succes een nieuw type Silicon Carbide Photonic Device dat het thermische driftprobleem bij krachtige laserverwerking effectief kan verminderen. Het team gebruikte halfgeleidertechnologie om een groot-apart, zeer nauwkeurige 4H-SIC superlens voor te bereiden, benchmarkte tegen hoogwaardige commerciële objectieve lenzen, en bereikte diffractie-beperkte focus. Na langdurige hoogkrachtige laserbestraling blijft de prestaties van het apparaat stabiel en worden ze bijna niet beïnvloed door warmteabsorptie. Deze prestatie vertegenwoordigt een grote doorbraak in krachtige lasersystemen en opent nieuwe horizonten voor hun toepassing en efficiëntie-verbetering. De relevante onderzoeksresultaten werden gepubliceerd in het International Journal Advanced Materials onder de titel "4H -SIC Metalens: Mitigationing Thermal Drift -effect bij krachtige laserbestraling".
Onderzoeksachtergrond
Bij laserverwerking is nauwkeurige straalfocus cruciaal. Vanwege de lage thermische geleidbaarheid van traditionele objectieve lensmaterialen, is het echter moeilijk om warmte op een tijdige en effectieve manier af te dissiperen onder hoogkrachtige laserstraling, wat resulteert in vervorming of smelten van de lens als gevolg van thermische stress, waardoor focusafdrijf wordt veroorzaakt, Afbraak van optische prestaties en zelfs onomkeerbare schade. Dit thermische driftprobleem heeft niet alleen invloed op de verwerkingsnauwkeurigheid, maar beperkt ook de productie -efficiëntie en betrouwbaarheid van apparatuur. Hoewel koelapparaten kunnen worden gebruikt om het warmteafvoerprobleem te verlichten, verhoogt het het volume, het gewicht en de kosten van het systeem en vermindert het de integratie en toepasbaarheid van het apparaat. Daarom is er een dringende behoefte aan een nieuw type optisch apparaat dat de thermische drift in krachtige laserverwerking kan onderdrukken met behoud van hoge optische prestaties en compacte grootte.
Als halfgeleidermateriaal van de derde generatie heeft siliciumcarbide (SIC) uitstekende kenmerken zoals brede bandgap, hoge thermische geleidbaarheid, laag verlies in de zichtbare tot bijna-infraroodband en uitstekende mechanische hardheid. Het toont een groot potentieel in krachtige elektronische apparaten, hoge temperatuur en hoogfrequente apparaten, opto-elektronica en optica. Met meer dan 20 jaar ervaring in micro-nano-verwerkingstechnologie heeft de onderzoeksgroep van QIU MIN een groot, hoog-aspect-verhouding nanostructuurverwerkingstechnologie ontwikkeld die compatibel is met massaproductie voor 4H-SIC-materialen. Op basis van het brede scala aan verwerkingsmogelijkheden van dit proces, ontwierp het team een 4H-SIC-superlens met een groot aantal Aperture met verwijzing naar de optische indicatoren van hoogwaardige commerciële objectieve lenzen. Uiteindelijk heeft het onderzoeksteam met succes hoogwaardige Superlens-apparaten bereikt die stabiel en duurzaam kunnen werken onder barre omstandigheden, waardoor voldoet aan de strikte vereisten van de industrie voor transmissierichtingen in krachtige laserverwerking en het bevorderen van de ontwikkeling van gerelateerde industrieën.
Onderzoek hoogtepunten
In deze studie heeft de onderzoeksgroep van QIU MIN een homogene 4H-SIC superlens ontworpen en voorbereid die optische prestaties behaalde die vergelijkbaar waren met die van commerciële objectieve lenzen, en het thermische drifteffect onder krachtige laserbestraling verminderde (zoals getoond in figuur 1) . Het geselecteerde 4H-SIC-materiaal heeft de voordelen van een hoge brekingsindex, een laag verlies in het zichtbare tot bijna-infrarood spectrale bereik, uitstekende mechanische hardheid, chemische resistentie en hoge thermische geleidbaarheid. De optische testresultaten tonen aan dat de 4H-SIC superlens optische prestaties heeft die vergelijkbaar zijn met die van commerciële objectieve lenzen. In de krachtige laserstralingstest werden langdurige continue verwerking onder harde arbeidsomstandigheden gesimuleerd en de 4H-SIC superlens vertoonden stabiele prestaties, terwijl de afhankelijkheid van complexe koelsystemen kwijt was, nieuwe toepassingsperspectieven voor SIC-fotonica openen .
Deze 4H-SIC Superlens wordt benchmarkt tegen een hoogwaardige commerciële objectieve lens (Mitutoyo 378-822-5), met een ontwerpdoel van 0. 5 Numerieke Aperture (NA) en 1 cm brandpuntsafstand. Het is vermeldenswaard dat de openingsbreedte van de 4H-SIC superlens 1,15 cm is, wat de bundelgrootte overschrijdt die typisch wordt geproduceerd door krachtige lasers en een breed aanpassingsvermogen heeft. Om het ontwerp en de voorbereiding in evenwicht te brengen, gebruikt het apparaat isotrope nanopillars als supercellen (zoals weergegeven in figuur 2a), met een hoogte van H=1 µm, om dynamische fase te bieden in de vorm van afgeknotte golfgeleiders. De periode tussen aangrenzende supercellen is p=0. 6 µm, waarbij diffractie-beperkte focus kan worden bereikt. Omdat de dubbelbreking van 4H-SIC een klein faseverschil veroorzaakt tussen X- en Y-gepolariseerde incidenten, heeft het onderzoeksteam elke supercell geoptimaliseerd door de kwaliteitsfactor te minimaliseren. Ten slotte worden supercellen van 8 maten verkregen (figuur 2B-D), en elke geselecteerde supercell bereikt de overeenkomstige doelfasemodulatie bij een golflengte van 1. 0 60 µm, terwijl een hoge transmissie groter is dan 0,85 en ongevoelig naar polarisatie.
De bereiding van 4H-SIC Superlens neemt een reeks halfgeleiderverwerkingstechnologieën aan, zoals elektronenstraallithografie, fysieke dampafzetting en inductief gekoppelde plasma-etsen. Volledig gevulde hoge beeldverhouding nanopilars werden verwerkt op het substraatoppervlak van 1,15 x 1,15 cm². Zoals getoond in figuur 3A-E, is de structuurperiode 6 0 0 nm, de vulfactor is 0,3 tot 0,78 en de structuurhoogte is 1,009 µm gemeten door scanning elektronenmicroscopie en atoomkrachtmicroscopie. De resultaten van de steekproefkarakterisatie bewijzen de voortreffelijkheid van de verwerkingstechnologie. Deze hoog-nauwkeurige, hoog-aspect ratio supersurface voorbereidingsmethode kan worden toegepast op vergelijkbare apparaten om massaproductie te bereiken.
De optische prestaties van de 4H-SIC superlens werden getest met behulp van een zelfgebouwd transmissiemicroscopie-beeldvormingssysteem (zoals getoond in figuur 3F). Het systeem leidt verticaal een parallelle laser met een golflengte van 1 0 30 nm tot de 4H-SIC superlens en realiseert CCD-beeldvorming via een coaxiaal microscoopsysteem. Een stief-scan-test werd uitgevoerd binnen het bereik van ± 35 µm op het focale vlak, en beeldvorming van het focale vlak en het focale veld werd verkregen (zoals getoond in figuur 3G-H). Gegevensanalyse toont aan dat het focale veld op een brandpuntsafstand van 1 cm een soepele Gaussiaanse verdeling vertoont. De lichtintensiteitsverdeling in de focale vlaktest vertoonde uitstekende focusprestaties (Figuur 3-J), en de volledige volledige breedte van de focus was 2,9 µm. Volgens de testresultaten wordt de focusefficiëntie van de 4H-SIC superlens berekend als 96,31%. De invallende en uitgangsoppervlakken van de 4H-SIC superlens werden gemeten met behulp van een optische vermogensmeter en de transmissie van het apparaat werd gemeten als 0,71. Op basis van deze optische testresultaten vertonen de 4H-SIC Superlens optische indicatoren die vergelijkbaar zijn met commerciële objectieve lenzen en kunnen dezelfde verwerkingsmogelijkheden in laserverwerkingssystemen bereiken.
Om de harde, krachtige continue verwerkingsomstandigheden bij laserverwerking te simuleren, werd hetzelfde optische pad als de optische test gebruikt in de thermische drift-test, maar de lichtbron werd vervangen door een 15 W 1 0 30 nm laser. De veranderingen in apparaattemperatuur, brandvlak en snijeffect van de 4H-SIC superlens en commerciële objectieve lens werden getest gedurende 1 uur continue werking. De veranderingen in apparaatoppervlaktemperatuur gemeten door een infrarood thermische imager worden getoond in figuur 4A-B. Na 60 minuten van krachtige laserbestraling steeg de apparaattemperatuur van de 4H-SIC superlens slechts met 3,2 graden en was de temperatuurverandering slechts 6% van de objectieve lens (temperatuurstijging van 54,0 graden). Vergeleken met traditionele objectieve lenzen, kunnen de 4H-SIC superlens een stabiele temperatuur bereiken na ongeveer 10 minuten zonder extra koelcomponenten, en de temperatuurverandering is kleiner en de bedrijfstemperatuur is lager. Deze uitstekende thermische managementprestaties toont de effectiviteit van de 4H-SIC superlens onder harde werkomstandigheden.
Om de veranderingen in de optische prestaties van het apparaat te weerspiegelen, werd de CCD gebruikt om de focale vlak offset van het apparaat binnen 1 uur vast te leggen (zoals weergegeven in figuur 4c-D). De testresultaten tonen aan dat de focus van de 4H-SIC Superlens geen duidelijke offset heeft, terwijl de focus van de commerciële objectieve lens na 30 minuten duidelijke offset heeft, en uiteindelijk kan de CCD niet worden afgebeeld vanwege overmatige offset. De volledige volledige breedte en het middencoördinaten van de focus worden verkregen door beeldverwerking en de focuscoördinaten worden vergeleken met de initiële positie om de verplaatsingsgegevens in het vlak te verkrijgen. Na 1 uur continue high-power laserstraling wordt het Z-asplatform terug verplaatst naar de verplaatsingsafstand van het brandvlak om de offset van het apparaat langs de optische as te verkrijgen. De focale vlak offset van de commerciële objectieve lens is 213 µm, terwijl de brandpuntoffset van de 4H-SIC superlens slechts 13 µm is, wat aangeeft dat het een uitstekende optische stabiliteit en consistentie heeft tijdens continue hoogkrachtige laser-bestraling.
Het lasergangsexperiment werd uitgevoerd met behulp van hetzelfde optische pad om de invloed van thermische afwijking op het verwerkingseffect tijdens het werkelijke lasersnijproces te vergelijken. Het experiment selecteerde 4H-SIC-wafels, die uiterst moeilijk te verwerken zijn, als het gesneden materiaal. Het optische pad van het snijden werd gekalibreerd door STEP -scantetest. Na kalibratie werd het snijden elke 10 minuten langs de X -richting uitgevoerd en werden de veranderingen in het snijeffect binnen 1 uur geregistreerd. De snijmorfologie van de dwarsdoorsnede van de gesneden wafer werd gekenmerkt door een optische microscoop (zoals getoond in figuur 4E-F). De resultaten toonden aan dat de lasersnijdende prestaties van de 4H-SIC superlens stabiel bleven na 60 minuten werking, terwijl de focus van de commerciële objectieve lens na 30 minuten aanzienlijk naar de binnenkant van het substraat verschoof. Gegevensanalyse wees uit dat de verandering in de snij diepte van de 4H-SIC superlens na 1 uur operatie slechts 11,4% van die van de commerciële objectieve lens was. De experimentele resultaten verifieerde de test van focale vlak offset en weerspiegelden de superieure apparaatstabiliteit van de 4H-SIC superlens in werkelijke industriële toepassingen.
Samenvatting en vooruitzichten
Deze studie stelde een 4H-SIC superlens voor die het thermische driftprobleem bij krachtige laserverwerking kunnen verlichten. Experimentele resultaten tonen aan dat de 4H-SIC superlens uitstekende thermische stabiliteit en optische prestaties bereikt vanwege de uitstekende thermische geleidbaarheid. De Superlens benchmarkt de optische indicatoren van hoogwaardige commerciële objectieve lenzen, en op basis van nanocolumn-supercellen bereikt het een efficiënte focus die ongevoelig is voor polarisatie. Het voorbereidingsprobleem van 4H-SIC superlens met een groot schending werd met succes opgelost door middel van halfgeleiderverwerkingstechnologie die compatibel is met massaproductie. Experimenten tonen aan dat de superlens diffractie-beperkte focus op de ontworpen focale lengte bereikt en een uitstekende stabiliteit vertonen onder continue hoogkrachtige laserstraling, met extreem kleine focusverschuiving, wat veel beter is dan commerciële objectieve lenzen. In lasersnijtoepassingen verandert de snijmorfologie met behulp van deze superlens weinig. Deze resultaten benadrukken de superieure prestaties van de 4H-SIC superlens in vergelijking met traditionele objectieve lenzen, die meestal complexe koelsystemen vereisen om vergelijkbare niveaus van stabiliteit te bereiken. Vooruitkijkend, met verder onderzoek en optimalisatie, wordt verwacht dat de 4H-SIC superlens op grote schaal worden gebruikt in krachtige lasersystemen en de ontwikkeling van gerelateerde velden bevorderen. Met zijn compacte ontwerp en uitstekende optische en thermische prestaties kan deze nieuwe generatie metasurfaceapparaten worden toegepast op velden zoals augmented reality, ruimtevaart en laserverwerking, waardoor belangrijke thermische beheersproblemen in de huidige industrie effectief worden opgelost.
Chen Boyu en Sun Xiaoyu, gezamenlijke doctoraatsstudenten van Zhejiang University en West Lake University, zijn de co-eerste auteurs en professor Qiu Min van West Lake University, associate onderzoeker Pan Meiyan van Ji Hua Laboratory, Dr. Du Kaikai van Mude Micro- Nano (Hangzhou) Technology Co., Ltd. en onderzoeker Zhao Ding van West Lake University Institute of Optoelectronics zijn de co-corrigerende auteurs van het artikel. Het onderzoekswerk werd ondersteund door de National Natural Science Foundation van China en het Provinciale Basic Research Fund van Guangdong en werd ook sterk ondersteund door het Future Industry Research Center en Advanced Micro-Nano-verwerkings- en testplatform van West Lake University.
