Niedawno grupa badawcza Qiu Min w Future Industry Research Center i School of Engineering na Westlake University z powodzeniem opracowała nowy rodzaj krzemu z węglika z węglików krzemionowych, które może skutecznie zmniejszyć problem dryfu termicznego w przetwarzaniu laserowym o dużej mocy. Zespół wykorzystał technologię półprzewodników do przygotowania dużej liczby superlenów 4H-SIC o dużej liczbie. Po długotrwałym napromieniowaniu laserowym o dużej mocy wydajność urządzenia pozostaje stabilna i prawie nie ma wpływu na absorpcję ciepła. Osiągnięcie to stanowi poważny przełom w systemach laserowych o dużej mocy i otwiera nowe horyzonty pod względem ich zastosowania i wydajności. Odpowiednie wyniki badań zostały opublikowane w International Journal Advanced Materials pod tytułem „4H -SIC Metallens: łagodzenie efektu dryfu termicznego w napromieniowaniu laserowym o dużej mocy”.
Tło badawcze
W przetwarzaniu laserowym dokładne skupienie wiązki ma kluczowe znaczenie. Jednak ze względu na niską przewodność cieplną tradycyjnych materiałów obiektywu obiektywu trudno jest rozproszyć ciepło w sposób terminowy i skuteczny przy napromieniowaniu laserowym o dużej mocy, powodując deformację lub topienie soczewki z powodu naprężenia termicznego, powodując dryfowanie ostrości, Degradacja wydajności optycznej, a nawet nieodwracalne uszkodzenia. Ten problem dryfu termicznego wpływa nie tylko na dokładność przetwarzania, ale także ogranicza wydajność produkcji i niezawodność sprzętu. Chociaż urządzenia chłodzące mogą być stosowane do złagodzenia problemu rozpraszania ciepła, zwiększa objętość, wagę i koszt systemu oraz zmniejsza integrację i zastosowanie urządzenia. Dlatego istnieje pilna potrzeba nowego rodzaju urządzenia optycznego, które może tłumić dryf termiczny w przetwarzaniu laserowym o dużej mocy przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej wydajności optycznej i kompaktowej wielkości.
Jako materiał półprzewodnikowy trzeciej generacji, węgliek krzemu (SIC) ma doskonałe cechy, takie jak szerokie pasma, wysoka przewodność cieplna, niska strata w pasmach widocznym do bliskiej podczerwieni i doskonała twardość mechaniczna. Pokazuje duży potencjał w urządzeniach elektronicznych o dużej mocy, urządzeniach o wysokiej temperaturze i wysokiej częstotliwości, optoelektronice i optyce. Dzięki ponad 20-letniemu doświadczeniu w technologii przetwarzania mikro-nano, grupa badawcza Qiu Min opracowała technologię przetwarzania nanostruktury o dużym, wysokim poziomie, która jest zgodna z masową produkcją materiałów 4H-SIC. W oparciu o szeroki zakres możliwości przetwarzania tego procesu, zespół zaprojektował superlens o dużej liczbie 4H-SIC w odniesieniu do wskaźników optycznych o wysokowydajnych obiektywnych obiektywnych obiektywnych obiektywnych. Ostatecznie zespół badawczy z powodzeniem osiągnął wysokowydajne urządzenia Superlens, które mogą działać stabilnie i trwałe w trudnych warunkach, spełniając surowe wymagania branżowe dotyczące urządzeń koncentrujących się na przetwarzaniu laserowym o dużej mocy i promując rozwój powiązanych branż.
Najważniejsze informacje
W tym badaniu grupa badawcza Qiu Min zaprojektowała i przygotowała jednorodne superlens 4H-SIC, które osiągnęły wydajność optyczną porównywalną z wydajnością obiektywnych obiektywnych i z powodzeniem zmniejszyła efekt dryfu termicznego przy napromieniowaniu laserowym o dużej mocy (jak pokazano na rycinie 1) . Wybrany materiał 4H-SIC ma zalety wysokiego współczynnika załamania światła, niską stratę w zakresie widocznym do bliskiej podczerwieni, doskonałej twardości mechanicznej, odporności chemicznej i wysokiej przewodności cieplnej. Wyniki testu optycznego pokazują, że superlens 4H-SIC ma wydajność optyczną porównywalną z wydajnością obiektywów komercyjnych. W teście napromieniania laserowego o dużej mocy symulowano długoterminowe ciągłe przetwarzanie w trudnych warunkach pracy, a superlens 4H-SIC wykazywał stabilną wydajność, jednocześnie pozbywając się zależności od złożonych systemów chłodzenia, otwierając nowe potencjalne potencjalne potencjalne klientki do fotoniki SIC SIC .
Ten superlens 4H-SIC jest porównywany w stosunku do wysokowydajnego obiektywu komercyjnego (mitutoyo 378-822-5), z celem projektowym 0. 5 Otwarty numeryczna (Na) i 1 cm ogniskowej. Warto zauważyć, że szerokość przysłony superlenów 4H-SIC wynosi 1,15 cm, co przekracza rozmiar wiązki zwykle wytwarzany przez lasery o dużej mocy i ma szeroki zakres zdolności adaptacyjnych. Aby zrównoważyć projektowanie i przygotowanie, urządzenie używa izotropowych nanopillarów jako superkomórków (jak pokazano na ryc. 2a), z wysokością H=1 µm, aby zapewnić fazę dynamiczną w postaci obciętych falowodów. Okres między sąsiednimi superkomórkami wynosi p=0. 6 µm, przy którym można osiągnąć ograniczenie dyfrakcyjne. Ponieważ dwójłomość 4H-SIC powoduje niewielką różnicę fazową między incydentami spolaryzowanymi przez X i Y, zespół badawczy zoptymalizował każdą superkomórkę, minimalizując współczynnik jakości. Wreszcie uzyskuje się superkomórki 8 rozmiarów (ryc. 2B-D), a każda wybrana superkomórka osiąga odpowiadającą modulację fazy docelowej przy długości fali 1. 0 60 µm, a jednocześnie ma wysoką transmitancję większą niż 0,85 i jest niewrażliwy do polaryzacji.
Przygotowanie superlens 4H-SIC przyjmuje serię technologii przetwarzania półprzewodników, takich jak litografia wiązki elektronów, fizyczne osadzanie pary i indukcyjnie sprzężone trawienie osocza. W pełni wypełnione nanopilarki o wysokim współczynniku kształtu przetworzono na powierzchni podłoża 1,15 × 1,15 cm². Jak pokazano na rysunku 3A-E, okres struktury wynosi 6 0 0 nm, współczynnik wypełnienia wynosi 0,3 do 0,78, a wysokość struktury wynosi 1,009 µm mierzona przez skaningową mikroskopię elektronową i mikroskopię sił atomowych. Wyniki charakterystyki próbki dowodzą doskonałości technologii przetwarzania. Ta metoda precyzyjna o dużym, wysokim stosunku, wysoko obowiązywana metoda preparowania nadwozia można zastosować do podobnych urządzeń, aby osiągnąć masową produkcję.
Wydajność optyczną superlenów 4H-SIC została przetestowana przy użyciu samodzielnego systemu obrazowania mikroskopii transmisyjnej (jak pokazano na rycinie 3F). System pionowo prowadzi laser równoległy o długości fali 1 0 30 nm do superlenów 4H-SIC i realizuje obrazowanie CCD za pośrednictwem systemu mikroskopu koncentrycznego. Test skrajny przeprowadzono w zakresie ± 35 µm na płaszczyźnie ogniskowej i uzyskano obrazowanie płaszczyzny ogniskowej i pola ogniskowego (jak pokazano na ryc. 3G-H). Analiza danych pokazuje, że pole ogniskowe o ogniskowej 1 cm przedstawia płynny rozkład Gaussa. Rozkład intensywności światła w teście płaszczyzny ogniskowej wykazał doskonałą wydajność skupienia (ryc. 3I-J), a pełna szerokość na pół-wysokości skupienia wynosiła 2,9 µm. Zgodnie z wynikami testu obliczana jest wydajność skupienia superlenów 4H-SIC na 96,31%. Powierzchnie padające i wyjściowe superlenów 4H-SIC mierzono za pomocą miernika mocy optycznej, a przekazanie urządzenia zmierzono na 0,71. Na podstawie tych wyników testów optycznych superlens 4H-SIC wykazuje wskaźniki optyczne porównywalne z obiektywami obiektywnymi komercyjnymi i mogą osiągnąć te same możliwości przetwarzania w systemach przetwarzania laserowego.
W celu symulacji trudnych warunków ciągłego przetwarzania o dużej mocy w przetwarzaniu laserowym, ta sama ścieżka optyczna, co test optyczny zastosowano w teście dryfu termicznego, ale źródło światła zastąpiono 15 W 1 0 30 nm laser. Zmiany temperatury urządzenia, płaszczyzny ogniskowej i efektu cięcia superlenów 4H-SIC i obiektywu komercyjnego przetestowano na 1 godzinę ciągłej pracy. Zmiany temperatury powierzchni urządzenia mierzone za pomocą obrazu termicznego w podczerwieni pokazano na rysunku 4A-B. Po 60 minutach napromieniowania laserowego o dużej mocy temperatura urządzenia 4H-SIC Superlenens wzrosła tylko o 3,2 stopnia, a zmiana temperatury wynosiła tylko 6% obiektywu obiektywnego (wzrost temperatury o 54,0 stopni). W porównaniu z tradycyjnymi obiektywami obiektywnymi, superlens 4H-SIC może osiągnąć stabilną temperaturę po uruchomieniu przez około 10 minut bez dodatkowych elementów chłodzenia, a zmiana temperatury jest mniejsza, a temperatura robocza jest niższa. Ta doskonała wydajność zarządzania termicznego pokazuje skuteczność superlenów 4H-SIC w trudnych warunkach pracy.
Aby odzwierciedlić zmiany w wydajności optycznej urządzenia, CCD zastosowano do rejestrowania przesunięcia płaszczyzny ogniskowej urządzenia w ciągu 1 godziny (jak pokazano na rysunku 4C-D). Wyniki testu pokazują, że koncentracja superlenów 4H-SIC nie ma oczywistego przesunięcia, podczas gdy koncentracja obiektywu komercyjnego obiektywu ma oczywiste przesunięcie po 30 minutach, a wreszcie CCD nie można obrazować z powodu nadmiernego przesunięcia. Współrzędne pełnej szerokości i centralne na pół-wysokości są uzyskiwane przez przetwarzanie obrazu, a współrzędne ostrości są porównywane z początkową pozycją w celu uzyskania danych przemieszczenia w płaszczyźnie. Po 1 godzinie ciągłego napromieniowania lasera o dużej mocy platforma osi Z jest przenoszona z powrotem do odległości przemieszczenia płaszczyzny ogniskowej, aby uzyskać przesunięcie urządzenia wzdłuż osi optycznej. Oconknięcie płaszczyzny ogniskowej obiektywu obiektywnego komercyjnego wynosi 213 µm, podczas gdy przesunięcie płaszczyzny ogniskowej superlenów 4H-SIC wynosi zaledwie 13 µm, co wskazuje, że ma doskonałą stabilność optyczną i spójność podczas ciągłego napromieniowania lasera o dużej mocy.
Eksperyment cięcia laserowego przeprowadzono przy użyciu tej samej ścieżki optycznej w celu porównania wpływu dryfu termicznego na efekt przetwarzania podczas faktycznego procesu cięcia laserowego. Eksperyment wybrał płytki 4H-SIC, które są niezwykle trudne do przetworzenia, jako materiał cięty. Cnetce optyczną ścieżkę skalibrowano metodą skanowania. Po kalibracji wycinanie wykonywano wzdłuż kierunku X co 10 minut i rejestrowano zmiany efektu cięcia w ciągu 1 godziny. Morfologię cięcia przekroju waflowego wafla scharakteryzowała mikroskop optyczny (jak pokazano na rycinie 4e-F). Wyniki wykazały, że wydajność cięcia laserowego superlenów 4H-SIC pozostawała stabilna po 60 minutach pracy, podczas gdy skupienie się na obiektywu komercyjnego obiektywu zmieniło się znacznie w kierunku wnętrza podłoża po 30 minutach. Analiza danych wykazała, że zmiana głębokości cięcia superlenów 4H-SIC po 1 godzinie działania wynosiła tylko 11,4% terminu obiektywu komercyjnego. Wyniki eksperymentalne zweryfikowały test przesunięcia płaszczyzny ogniskowej i odzwierciedlały doskonałą stabilność urządzenia w superlenach 4H-SIC w rzeczywistych zastosowaniach przemysłowych.
Podsumowanie i perspektywy
W tym badaniu zaproponowano superlens 4H-SIC, które mogą złagodzić problem dryfu termicznego w przetwarzaniu laserowym o dużej mocy. Wyniki eksperymentalne pokazują, że superlens 4H-SIC osiąga doskonałą stabilność termiczną i wydajność optyczną ze względu na doskonałą przewodność cieplną. Superlens Benchmaruje wskaźniki optyczne wysokowydajnych obiektywów obiektywnych obiektywnych, a oparte na superkomórkach nanokolutunnych osiąga skuteczne skupienie, które jest niewrażliwe na polaryzację. Problem przygotowania superlenów o dużej aperturze 4H-SIC został pomyślnie rozwiązany poprzez technologię przetwarzania półprzewodników zgodną z masową produkcją. Eksperymenty pokazują, że Superlens osiąga ograniczenie dyfrakcji na zaprojektowanej ogniskowej i wykazują doskonałą stabilność przy ciągłym napromieniowaniu laserowym o dużej mocy, z wyjątkowo niewielką zmianą ostrości, która jest znacznie lepsza niż obiektywy komercyjne. W zastosowaniach do cięcia laserowego morfologia cięcia przy użyciu tego superlenów niewiele się zmienia. Wyniki te podkreślają doskonałą wydajność superlenów 4H-SIC w porównaniu z tradycyjnymi obiektywami obiektywnymi, które zwykle wymagają złożonych systemów chłodzenia, aby osiągnąć podobne poziomy stabilności. Patrząc w przyszłość, wraz z dalszymi badaniami i optymalizacjami, oczekuje się, że superlens 4H-SIC będzie szeroko stosowany w systemach laserowych o dużej mocy i promować rozwój powiązanych pól. Dzięki kompaktowej konstrukcji i doskonałej wydajności optycznej i termicznej, nową generację urządzeń metasurface można zastosować do takich dziedzin, jak rzeczywistość rozszerzona, przetwarzanie lotnicze i laserowe, skutecznie rozwiązując kluczowe problemy z zarządzaniem termicznym w obecnym przemyśle.
Chen Boyu i Sun Xiaoyu, Wspólni doktoranci Zhejiang University i West Lake University, są współistniejącymi autorów oraz profesorem Qiu Min z West Lake University, badacz zastępczy Pan Meiyan z Ji Hua Laboratory, Dr Du Kaikai z Mude Micro- Nano (Hangzhou) Technology Co., Ltd. i badacz Zhao Ding of West Lake University Institute of Optoelectronics są współzależnymi autorami artykułu. Prace badawcze były wspierane przez National Natural Science Foundation of China i Guangdong Provincial Basic Basic and Applied Base Research Fund, a także były również wspierane przez przyszłe centrum badań branżowych oraz zaawansowaną platformę przetwarzania i testowania mikro-nano na West Lake University.
