Recentment, el grup de recerca de Qiu Min al Future Industry Research Center i a l'Escola d'Enginyeria de la Universitat de Westlake va desenvolupar amb èxit un nou tipus de dispositiu fotònic de carbur de silici que pot reduir eficaçment el problema de deriva tèrmica en el processament de làser d'alta potència. L’equip va utilitzar la tecnologia de semiconductors per preparar un superlens de 4H-SIC d’alta precisió de gran precisió, va marcar contra les lents d’objectius comercials d’alt rendiment i va aconseguir un enfocament limitat per difracció. Després de la irradiació làser d’alta potència a llarg termini, el rendiment del dispositiu es manté estable i gairebé no està afectat per l’absorció de calor. Aquest assoliment representa un gran avenç en els sistemes làser d’alta potència i obre nous horitzons per a la seva aplicació i millora d’eficiència. Els resultats de la investigació rellevants es van publicar a la International Journal Advanced Materials amb el títol "4H -SIC Metalens: mitigant l'efecte de deriva tèrmica en la irradiació làser d'alta potència".
Investigació de fons
En el processament làser, el focus de feix precís és crucial. No obstant això, a causa de la baixa conductivitat tèrmica dels materials tradicionals de lents objectius, és difícil dissipar la calor de manera puntual i eficaç sota la irradiació làser d’alta potència, donant lloc a deformació o fusió de la lent a causa de l’estrès tèrmic, provocant la deriva d’enfocament, Degradació del rendiment òptic i fins i tot danys irreversibles. Aquest problema de deriva tèrmica no només afecta la precisió del processament, sinó que també limita l'eficiència de la producció i la fiabilitat dels equips. Tot i que els dispositius de refrigeració es poden utilitzar per alleujar el problema de dissipació de calor, augmenta el volum, el pes i el cost del sistema i redueix la integració i l’aplicabilitat del dispositiu. Per tant, hi ha una necessitat urgent d’un nou tipus de dispositiu òptic que pugui suprimir la deriva tèrmica en el processament làser d’alta potència mantenint un alt rendiment òptic i una mida compacta.
Com a material semiconductor de tercera generació, el carbur de silici (SIC) té excel·lents característiques com ara una gran conductivitat de banda, alta conductivitat tèrmica, baixa pèrdua en la banda visible a la banda propera i una excel·lent duresa mecànica. Mostra un gran potencial en dispositius electrònics d’alta potència, dispositius d’alta temperatura i d’alta freqüència, optoelectrònica i òptica. Amb més de 20 anys d’experiència en la tecnologia de processament de micro-nano, el grup de recerca de Qiu Min ha desenvolupat una tecnologia de processament de nanoestructura de gran àrea de gran àrea que és compatible amb la producció massiva per a materials de 4h-sic. A partir de l’àmplia gamma de capacitats de processament d’aquest procés, l’equip va dissenyar una gran obertura 4H-SIC Superlens en referència als indicadors òptics de lents objectius comercials d’alt rendiment. Al final, l’equip de recerca va aconseguir amb èxit dispositius Superlens d’alt rendiment que poden funcionar de manera estable i duradora en condicions dures, complint els estrictes requisits de la indústria per a la transmissió de dispositius en processament de làser d’alta potència i promoure el desenvolupament d’indústries relacionades.
Destaquen la investigació
En aquest estudi, el grup de recerca de Qiu Min va dissenyar i preparar un superlens homogeni 4H-SIC, que va assolir el rendiment òptic comparable al de les lents d'objectius comercials i va reduir amb èxit l'efecte de deriva tèrmica en irradiació làser d'alta potència (com es mostra a la figura 1) . El material seleccionat de 4H-SIC té els avantatges de l’alt índex de refracció, la baixa pèrdua en el rang espectral visible a l’infraroig proper, una duresa mecànica excel·lent, resistència química i alta conductivitat tèrmica. Els resultats de les proves òptiques mostren que els Superlens 4H-SIC tenen un rendiment òptic comparable al de les lents d'objectius comercials. En el test d’irradiació làser d’alta potència, es va simular un processament continu a llarg termini en condicions de treball dures i els superlens de 4h-sic van mostrar un rendiment estable, alhora que es va desfer de la dependència dels sistemes de refrigeració complexos, obrint noves perspectives d’aplicació per a Sic Photonics .
Aquest Superlens de 4H-SIC es marca contra una lent d'objectiu comercial d'alt rendiment (MiTuToyo 378-822-5), amb un objectiu de disseny de 0. 5 Apertura numèrica (NA) i 1 cm de longitud focal. Val la pena assenyalar que l’amplada de l’obertura dels superlens 4H-SIC és d’1,15 cm, que supera la mida del feix generalment produïda per làsers d’alta potència i té una àmplia gamma d’adaptabilitat. Per equilibrar el disseny i la preparació, el dispositiu utilitza nanopil·les isotròpics com a supercells (com es mostra a la figura 2A), amb una alçada de H {{13} µm, per proporcionar una fase dinàmica en forma de guies d'ona truncades. El període entre les supercells adjacents és P=0. 6 µm, en què es pot aconseguir un enfocament limitat per difracció. Atès que la birefringència de 4h-sic provoca una lleugera diferència de fase entre els incidents polaritzats X i Y, l'equip de recerca va optimitzar cada supercell minimitzant el factor de qualitat. Finalment, s’obtenen supercèl·lules de 8 mides (figura 2b-d), i cada supercell seleccionada aconsegueix la modulació de fase objectiu corresponent a una longitud d’ona de 1. {{26} 60 µm, mentre que té una transmitància elevada superior a 0,85 i és insensible insensible a la polarització.
La preparació de Superlens 4H-SIC adopta una sèrie de tecnologies de processament de semiconductors com la litografia de feixos d’electrons, la deposició de vapor físic i el gravat de plasma acoblat inductivament. Es van processar nanopil·les d’aspecte alt completament omplert a la superfície del substrat d’1,15 × 1,15 cm². Com es mostra a la figura 3a-e, el període d’estructura és de 6 0 0 nm, el factor de ompliment és de 0,3 a 0,78 i l’alçada de l’estructura és de 1,009 µm mesurada per microscòpia electrònica d’escaneig i microscòpia de força atòmica. Els resultats de la caracterització de la mostra demostren l’excel·lència de la tecnologia de processament. Aquest mètode de preparació de la superfície de superfície de gran superfície, d’alta precisió i d’alta precisió, es pot aplicar a dispositius similars per aconseguir la producció massiva.
El rendiment òptic dels superlens 4H-SIC es va provar mitjançant un sistema d’imatge de microscòpia de transmissió auto-construïda (com es mostra a la figura 3F). El sistema guia verticalment un làser paral·lel amb una longitud d’ona d’1 0 30 nm als superlens 4H-sic i realitza la imatge CCD mitjançant un sistema de microscopi coaxial. Es va realitzar una prova de pas a pas dins del rang de ± 35 µm en el pla focal i es va obtenir la imatge del pla focal i del camp focal (com es mostra a la figura 3G-H). L’anàlisi de dades mostra que el camp focal a una longitud focal d’1 cm presenta una distribució gaussiana suau. La distribució d’intensitat de la llum a la prova del pla focal va mostrar un excel·lent rendiment d’enfocament (figura 3I-J), i l’amplada completa de mitja alçada del focus va ser de 2,9 µm. Segons els resultats de la prova, es calcula que l'eficiència de focus dels superlens 4H-SIC és del 96,31%. Les superfícies incidents i de sortida dels superlens 4H-SIC es van mesurar mitjançant un mesurador de potència òptica i es va mesurar la transmitància del dispositiu per ser de 0,71. A partir d’aquests resultats de les proves òptiques, els superlens 4H-SIC presenten indicadors òptics comparables a les lents objectives comercials i poden aconseguir les mateixes capacitats de processament en sistemes de processament làser.
Per tal de simular les dures condicions de processament continu d’alta potència en el processament làser, es va utilitzar la mateixa ruta òptica que la prova òptica a la prova de deriva tèrmica, però la font de llum es va substituir per un 15 W 1 0 30 nm làser. Els canvis en la temperatura del dispositiu, el pla focal i l'efecte de tall de les superlens 4H-SIC i la lent d'objectius comercials es van provar durant 1 hora de funcionament continu. A la figura 4a-b es mostren els canvis en la temperatura superficial del dispositiu mesurada per una imatge tèrmica infraroja. Després de 60 minuts d’irradiació làser d’alta potència, la temperatura del dispositiu dels superlens 4H-SIC només va augmentar en 3,2 graus i el canvi de temperatura va ser només del 6% de la lent objectiva (augment de la temperatura de 54,0 graus). En comparació amb les lents objectives tradicionals, els superlens 4H-SIC poden arribar a una temperatura estable després de córrer uns 10 minuts sense components de refrigeració addicionals, i el canvi de temperatura és menor i la temperatura de funcionament és menor. Aquest excel·lent rendiment de gestió tèrmica demostra l'efectivitat dels superlens 4H-sic en condicions laborals dures.
Per tal de reflectir els canvis en el rendiment òptic del dispositiu, es va utilitzar el CCD per registrar la compensació del pla focal del dispositiu en una hora (com es mostra a la figura 4C-D). Els resultats de les proves mostren que el focus dels superlens 4H-SIC no té una compensació evident, mentre que el focus de la lent objectius comercials té una compensació òbvia després de 30 minuts i, finalment, el CCD no es pot imaginar a causa d'un desplaçament excessiu. Les coordenades d’amplada i centre de mitja alçada s’obtenen mitjançant processament d’imatges i es comparen les coordenades d’enfocament amb la posició inicial per obtenir les dades de desplaçament en pla. Després d’una hora d’irradiació làser contínua d’alta potència, la plataforma de l’eix Z es trasllada a la distància de desplaçament del pla focal per obtenir el desplaçament del dispositiu al llarg de l’eix òptic. El desplaçament del pla focal de la lent objectius comercials és de 213 µm, mentre que la compensació del pla focal dels superlens 4H-sic és de només 13 µm, cosa que indica que té una estabilitat i una consistència òptiques excel·lents durant la irradiació làser contínua de gran potència.
L’experiment de tall làser es va dur a terme mitjançant la mateixa ruta òptica per comparar la influència de la deriva tèrmica en l’efecte de processament durant el procés real de tall làser. L’experiment va seleccionar hòsties 4H-SIC, que són extremadament difícils de processar, com a material tallat. La ruta òptica de tall es va calibrar mitjançant la prova d’escaneig de pas. Després de la calibració, el tall es va realitzar al llarg de la direcció X cada 10 minuts i es van registrar els canvis en l'efecte de tall en una hora. La morfologia de tall de la secció transversal de la hòstia tallada es va caracteritzar per un microscopi òptic (com es mostra a la figura 4E-F). Els resultats van mostrar que el rendiment de tall làser dels superlens 4H-SIC es va mantenir estable després de 60 minuts de funcionament, mentre que el focus de la lent objectius comercials es va desplaçar significativament cap a l'interior del substrat després de 30 minuts. L’anàlisi de dades va trobar que el canvi en la profunditat de tall dels superlens 4H-SIC després d’una hora de funcionament va ser només l’11,4% de la lent d’objectiu comercial. Els resultats experimentals van verificar la prova de la compensació del pla focal i reflectien l'estabilitat del dispositiu superior dels superlens 4H-SIC en aplicacions industrials reals.
Resum i Outlook
Aquest estudi va proposar un superlens de 4h-sic que pugui alleujar el problema de deriva tèrmica en el processament làser d’alta potència. Els resultats experimentals mostren que els superlens 4H-SIC aconsegueixen una excel·lent estabilitat tèrmica i un rendiment òptic a causa de la seva excel·lent conductivitat tèrmica. Els Superlens fan referència als indicadors òptics de lents objectius comercials d’alt rendiment i, basats en supercèl·lules de nanocolumn, aconsegueix un enfocament eficient que és insensible a la polarització. El problema de preparació dels superlens de 4H-SIC de gran obertura es va resoldre amb èxit mitjançant la tecnologia de processament de semiconductors compatible amb la producció massiva. Els experiments demostren que els Superlens aconsegueixen la difracció limitada a la longitud focal dissenyada i presenta una excel·lent estabilitat en irradiació làser contínua d’alta potència, amb un canvi d’enfocament extremadament reduït, molt millor que les lents objectives comercials. En les aplicacions de tall làser, la morfologia de tall que utilitza aquest Superlens canvia poc. Aquests resultats posen de manifest el rendiment superior dels superlens 4H-SIC en comparació amb les lents objectives tradicionals, que solen requerir sistemes de refrigeració complexos per aconseguir nivells d’estabilitat similars. Esperem, amb més investigació i optimització, es preveu que els superlens 4H-SIC s’utilitzin àmpliament en sistemes làser d’alta potència i promouen el desenvolupament de camps relacionats. Amb el seu disseny compacte i un excel·lent rendiment òptic i tèrmic, aquesta nova generació de dispositius Metasurface es pot aplicar a camps com la realitat augmentada, el processament aeroespacial i làser, resolent efectivament problemes de gestió tèrmica clau de la indústria actual.
Chen Boyu i Sun Xiaoyu, estudiants de doctorat conjunt de la Universitat de Zhejiang i la West Lake University, són els co-primers autors i el professor Qiu Min de la West Lake University, investigador associat Pan Meiyan del laboratori Ji Hua, el doctor du Kaikai de Mude Micro- Nano (Hangzhou) Technology Co., Ltd., i l’investigador Zhao Ding de l’Institut d’Optoelectrònica de la Universitat de West Lake són els autors co-corresponents del treball. Els treballs de recerca van comptar amb el suport de la National Natural Science Foundation de la Xina i el Fons de Recerca Bàsica Bàsica i Aplicada de Guangdong, i també va comptar amb el suport del futur Centre de Recerca de la Indústria i la plataforma avançada de processament i proves de micro-nano de la West Lake University.
