Недавно је истраживачка група Киу Мина у будућем истраживачком центру индустрије и школа инжењерства на Универзитету Вестлаке успешно развила нову врсту силицијумног карбидног фотоничког уређаја који може ефикасно смањити проблем термичког дрифта у ласерској преради високог снагу. Тим је користио Семицондуцтор технологију за припрему великог отвора, високо прецизности 4Х-СИЦ-ове суперленте, мерењу од високих перформанси комерцијалне објективне сочиве и постигнуто дифракционо-ограничено фокусирање. Након дуготрајне ласерског озрачења високог снагу, перформансе уређаја остају стабилни и готово се не утиче на апсорпцију топлоте. Ово достигнуће представља велики пробој у ласерским системима велике снаге и отвара нове хоризонте за њихову пријаву и побољшање ефикасности. Релевантни резултати истраживања објављени су у Међународном часопису Напредни материјали под насловом "4Х -Сиц Металенс: Обриши топлотни ефекат у великој мери у ласерском озрачивању".
Истраживачка позадина
У ласерској обради, тачна фокусирање снопа је пресудно. Међутим, због ниске топлотне проводљивости традиционалних материјалних објективних материјала, тешко је расипати топлоту на правовремено и ефикасан начин под високим ласерским озрачењем, што је резултирало деформацијом или топљењем сочива због топлотног стреса, узрокујући фокусирање, Деградација оптичких перформанси, па чак и неповратна оштећења. Овај проблем са термичким дрифтом не само да утиче само на тачност обраде, већ и ограничава ефикасност производње и поузданост опреме. Иако се уређаји за хлађење могу користити за ублажавање проблема расипавања топлоте, повећава количину, тежину и трошкове система и смањује интеграцију и применљивост уређаја. Због тога постоји хитна потреба за новом врстом оптичког уређаја који може сузбити термичко дрифт у ласерској обради високог снагу, истовремено одржавајући високе оптичке перформансе и компактне величине.
Као полуводички материјал треће генерације, силицијум карбида (СИЦ) има одличне карактеристике као што су широки опсег, висока топлотна проводљивост, низак губитак у видљивој бенду у близини инфрацрвене банде и одлична механичка тврдоћа. Показује велики потенцијал у електронским електронским уређајима, високим температурама и високофреквентним уређајима, оптоелектроником и оптиком. Са више од 20 година искуства у технологији микро-нано прераде, истраживачка група КИУ Мин развила је велику површину, високу технологију за прераду у односу на високу аспектну наноструктуру која је компатибилна са масовном производном производом за 4Х-сичке материјале. На основу широког спектра прерађивања могућности овог процеса, тим дизајнирао је широку отвори са 4Х-СИЦ-ом у односу на оптичке показатеље високих перформанси комерцијалне објективне сочиве. На крају, истраживачки тим је успешно постигао врхунски уређаји са високим перформансама који могу радити стабилно и издржљиве под оштрим условима, испуњавајући строге услове индустрије за преносне уређаје за пренос у ласерском прераду и промовишући развој повезане индустрије.
Истраживање истиче
У овој студији, истраживачка група Киу Мина дизајнирана је и припремила хомогене 4Х-сичке суперленте, што је постигло оптичке перформансе упоредиво са оним комерцијалним објективним сочивима и успешно је смањио термички дрифт ефекат под високим ласерским зрачењем (као што је приказано на слици 1) . Одабрани 4Х-СИЦ материјал има предности високог рефрактивног индекса, ниског губитка у видљивом спектралном распону у близини, одличне механичке тврдоће, хемијску отпорност и високу топлотну проводљивост. Резултати оптичких испитивања показују да 4Х-СИЦ суперлене имају оптичке перформансе упоредиве са оним комерцијалних објективних сочива. У тесту снагу ласерских зрачења, дугорочна континуирана прерада под оштрим условима рада је симулирана, а 4Х-СИЦ суперлени су показали стабилне перформансе, док се ослободило зависности од сложених система хлађења, отварање нових перспектива примене за СИЦ фотоницс .
Ова 4 х-сиц суперленте је у мерило на комерцијалном објективу високих перформанси (Митутоио 378-822-5), са циљем дизајна 0. 5 нумеричког отвора (на) и 1 цм фокусна дужина. Вриједно је напоменути да је ширина отвора 4Х-сиц суперленси 1,15 цм, која прелази величину снопа која је обично произведена од стране ласера високих снаге и има широк спектар прилагодљивости. Да би се уравнотежила дизајн и припрема, уређај користи изотропне нанопилларте као суперцелл (као што је приказано на слици 2а), са висином Х {{13} μм, како би се обезбедила динамична фаза у облику скраћених таласа. Период између суседних суперцела је п=0. 6 μм, на којем се може постићи ограничено фокусирање дифракције. Будући да је Берингринг од 4Х-СИЦ-а узрокује благи фазну разлику између инцидената Кс- и И-И-И, истраживачки тим оптимизирао је сваку суперцел умањили фактор квалитета. На крају се добијају суперцеллс од 8 величина (слика 2Б-Д), а свака одабрана суперцелл постиже одговарајућу модулацију циљне фазе на таласној дужини од 1. 0 60 μм, док има висок пренос већи од 0,85 и неосјетљив до поларизације.
Припрема од 4Х-сиц суперлена усваја низ технологија за обраду полуводича као што су литографија електронске снопове, физичка таложење паре и индуктивно спојено јеткање плазме. Потпуно испуњени високи аспекцијски однос нанопилларс прерађен је на површини подлоге од 1,15 × 1,15 цм². Као што је приказано на слици 3а-Е, период структуре је 6 0 0 НМ, фактор пуњења је 0,3 до 0,78, а висина структуре је 1,009 μм мерено скенирањем електронске микроскопије и микроскопије атомске силе. Резултати карактеризације узорка доказују изврсност технологије за прераду. Ова велика област, високо прецизност, високосмерни омјер препарата за припрему СуперСурфаце може се применити на сличне уређаје за постизање масовне производње.
Оптичким перформансама 4Х-сиц суперлена тестирано је коришћењем система за самогранирање преносног микроскопије (као што је приказано на слици 3Ф). Систем вертикално води паралелни ласер са таласном дужином од 1 0 30 нм до 4Х-сиц суперленсима и схвата ЦЦД снимање кроз коаксијални микроскопски систем. Испитивање корака је изведен у опсегу од ± 35 уМ на жаришној равнини, а добијено је снимање жаришта и жаришној области (као што је приказано на слици 3Г-Х). Анализа података показује да су жариште на жаришној дужини од 1 цм представља глатку гасову дистрибуцију. Дистрибуција интензитета светлости у тесту фокусног равног авиона показала је одличне перформансе фокусирања (слика 3и-ј), а полусеричка пуна ширина фокуса била је 2,9 μм. Према резултатима испитивања, ефикасност фокусирања од 4Х-сичких суперлина израчунава се на 96,31%. Инцидент и излазне површине 4Х-сиц суперлине су мерене помоћу оптичког мерача снаге, а пренос уређаја је мерен 0,71. На основу ових резултата оптичких испитивања, 4Х-СИЦ суперлени показују оптичке показатеље упоредиве са комерцијалним објективним сочивима и могу постићи исте могућности обраде у системима за обраду ласера.
Да бисте симулирали оштри континуирани услови за прераду високог снагом у ласерској обради, исти оптички пут као и оптички тест коришћен је у термалном дрифт тесту, али извор светлости је замењен са 15 В 1 0 30 нМ Ласер. Промјене у температури уређаја, фокусна равни и ефекат сечења 4Х-СИЦ суперлисти и комерцијалне објективе тестиране су током 1 сата непрекидног рада. Промјене температуре површине уређаја мерена инфрацрвеним термичким имагом приказане су на слици 4а-б. Након 60 минута ласерског озрачења високог снагу, температура уређаја 4Х-сић суперлене порасла је само за 3,2 степен, а промена температуре била је само 6% објективне сочива (пораст температуре од 54,0 степен температуре). У поређењу са традиционалним објективним сочивима, 4Х-СИЦ суперлени могу достићи стабилну температуру након што је трајало око 10 минута без додатних компоненти хлађења, а промена температуре је мања и радна температура је нижа. Ово одлично перформансе топлотног управљања показују ефикасност од 4Х-сиц суперленте под оштрим условима рада.
Да би се одразиле промене у оптичким перформансама уређаја, ЦЦД је коришћен за снимање фокусне равнине уређаја у року од 1 сата (као што је приказано на слици 4Ц-Д). Резултати испитивања показују да фокус 4Х-сиц суперлена нема очигледно помак, док је фокус комерцијалне објективне сочива очигледан помак након 30 минута, а на крају се ЦЦД не може да се имиче због прекомерног одступања. Полу висине пуне ширине и средишње координате фокуса добијају се обрадом слике, а координате фокуса се упоређују са почетним положајем за добијање података о расељавању раса. Након 1 сата непрекидног ласерског зрачења високог снагу, платформа ЗС Акис се враћа назад у расељавање фокусне равнине за добијање компензора уређаја дуж оптичке осе. Фокални распоред комерцијалних објективних објектива је 213 μм, док је фокусна равнина од 4Х-сичког суперлишта само 13 уМ, што указује да има одличну оптичку стабилност и доследност током непрекидног ласерског зрачења високог снагу.
Експеримент ласерског резања спроведен је користећи исти оптички пут за поређење утицаја топлотног дрипа на ефекат обраде током стварног процеса сечења ласера. Експеримент је одабрао 4Х-Сићевске вафла, који су изузетно тешки за обраду, као исечени материјал. Оптички пут сечења је калибриран по корак тест скенирања. Након калибрације, сечење је наступило у правцу Кс сваких 10 минута, а промене у ефекту сечења у року од 1 сата евидентиране су. Морфологија пресека пресека резаног резака карактерише оптички микроскоп (као што је приказано на слици 4Е-Ф). Резултати су показали да су перформанси ласерског резања 4Х-сичког суперлисти остали стабилни након 60 минута рада, док се фокус комерцијалног објектива пребацио знатно према унутрашњој страни подлоге након 30 минута. Анализа података је утврдила да је промена дубине сечења 4Х-сичког суперлила након 1 сата рада само 11,4% од комерцијалне објективне сочива. Експериментални резултати потврдили су тест фокусног авиона и одражавали су врхунску стабилност уређаја од 4Х-сиц-а у стварним индустријским апликацијама.
Резиме и Оутлоок
Ова студија је предложила 4Х-сиц суперленте који могу ублажити проблем термичког дрифта у ласерској обради високог снагу. Експериментални резултати показују да 4Х-СИЦ суперлине постижу одличну топлотну стабилност и оптичке перформансе због одличне топлотне проводљивости. Оффленс Бенцхмаркс Оптички показатељи високо-перформанси комерцијалне објективне сочиве и засновано на наноколумним суперцеллима, то постиже ефикасно фокусирање које је неосјетљиво на поларизацију. Проблем припреме великих отвора од 4 х-сиц је успешно решен технологијом за прераду полуводича компатибилно са масовном производном производом. Експерименти показују да суперлени постижу дифракцију - ограничено у дизајнирању у дизајнирању фокусне дужине и излаже одличну стабилност под континуираном ласерском зрачењем високог снагу, са изузетно малим помаком фокусирања, што је много боље од комерцијалних објективних сочива. У ласерској апликацијама за сечење, морфологија сечења користећи ове горње суперлете мало се мења. Ови резултати указују на врхунске перформансе 4Х-сичких суперлинова у поређењу са традиционалним објективним сочивима, које обично захтевају сложене системе за хлађење како би се постигли слични нивое стабилности. Радујемо се даљем истраживању и оптимизацији, очекује се да ће се 4Х-СИЦ суперлине бити широко користити у ласерским системима велике снаге и промовисати развој повезаних области. Са својим компактним дизајном и одличним оптичким и термичким перформансама, ова нова генерација метасурфачних уређаја може се применити на поља попут повећане стварности, ваздухопловна и ласерска прерада, ефикасно решавајући кључне проблеме са термичким управљањем у тренутној индустрији.
Цхен Боиу и Сун Ксиаоиу, заједнички докторски студенти Универзитета Универзитета у Универзитету за Вест Лаке, и професор Киу Мин Универзитета Вест Лаке, сараднички истраживач Пан Меииан оф Ји Хуа Лабораторија, др. Ду Каикаи из Муде Мицро- Нано (Хангзхоу) Тецхнологи Цо, Лтд., И истраживач Зхао Динг Универзитета за оптоелектроника Западно-језеро, су ко-одговара ауторима рада. Истраживачки рад подржали су национални фондација природне науке Кине и провинцијалног основног и примењеног основног истраживачког фонда, а такође је снажно подржала будући истраживачки центар за будућу индустрију и напредовали микро-нано платформу за прераду и тестирање у Универзитету.
