Kürzlich entwickelte die Forschungsgruppe von Qiu Min im Future Industry Research Center und der School of Engineering an der Westlake University erfolgreich eine neue Art von photonischen Geräten von Siliziumcarbid, die das Problem der thermischen Drift in der Hochleistungs-Laserverarbeitung effektiv verringern können. Das Team verwendete die Semiconductor-Technologie, um eine 4H-SIC-Superlens mit großer Afertur vorzubereiten, die gegen leistungsstarke kommerzielle Objektivlinsen bewertet und die Beugungsbegrenzung der Fokussierung erreicht hat. Nach langfristiger Bestrahlung von Hochleistungslaser bleibt die Geräteleistung stabil und wird durch Wärmeabsorption nahezu nicht beeinflusst. Diese Leistung stellt einen großen Durchbruch in Hochleistungslasersystemen dar und eröffnet neue Horizonte für ihre Anwendung und Effizienzverbesserung. Die relevanten Forschungsergebnisse wurden im International Journal Advanced Materials unter dem Titel "4H -Sic Metalens: Minderung des thermischen Drift -Effekts bei Hochleistungslaserbestrahlung" veröffentlicht.
Forschungshintergrund
Bei der Laserverarbeitung ist eine genaue Strahlfokussierung von entscheidender Bedeutung. Aufgrund der geringen thermischen Leitfähigkeit herkömmlicher Objektivlinsenmaterialien ist es jedoch schwierig, die Wärme zeitnah und effektiv unter der Bestrahlung von Hochleistungslaser zu leiten, was zu einer Verformung oder Schmelzen der Linse aufgrund thermischer Stress führt, was zu Fokusdreibung führt, Abbau der optischen Leistung und sogar irreversible Schäden. Dieses Problem der thermischen Drift beeinflusst nicht nur die Verarbeitungsgenauigkeit, sondern schränkt auch die Produktionseffizienz und die Zuverlässigkeit der Ausrüstung ein. Obwohl Kühlgeräte verwendet werden können, um das Problem der Wärmeableitung zu lindern, erhöht es das Volumen, das Gewicht und die Kosten des Systems und verringert die Integration und Anwendbarkeit des Geräts. Daher besteht dringend eine neue Art von optischer Gerät, die die thermische Drift der Hochleistungslaserverarbeitung unterdrücken und gleichzeitig eine hohe optische Leistung und kompakte Größe beibehalten kann.
Als Halbleitermaterial der dritten Generation weist Siliciumcarbid (SIC) hervorragende Eigenschaften wie breite Bandlücke, hohe thermische Leitfähigkeit, geringem Verlust des sichtbaren bis nahe Infrarotbandes und hervorragenden mechanischen Härte auf. Es zeigt ein großes Potenzial für elektronische Hochleistungsgeräte, Hochtemperatur- und Hochfrequenzgeräte, Optoelektronik und Optik. Mit mehr als 20 Jahren Erfahrung in der Mikro-Nano-Verarbeitungstechnologie hat die Forschungsgruppe von Qiu Min eine großartige, hochasparische Nanostrukturverarbeitungstechnologie entwickelt, die mit der Massenproduktion für 4H-SIC-Materialien kompatibel ist. Basierend auf der breiten Palette der Verarbeitungsfunktionen dieses Prozesses entwarf das Team eine Large-Apertur-4H-SIC-Superlens unter Bezugnahme auf die optischen Indikatoren für leistungsstarke kommerzielle objektive Objektive. Am Ende erreichte das Forschungsteam erfolgreich leistungsstarke Superlens-Geräte, die unter harten Bedingungen stabil und langlebig arbeiten können, was den strengen Anforderungen der Branche für Übertragungsfokussierungsgeräte in der leistungsstarken Laserverarbeitung und der Förderung der Entwicklung verwandter Branchen erfüllt.
Forschungshighlights
In dieser Studie entwarf und erstellte die Forschungsgruppe von Qiu Min eine homogene 4H-SIC-Superlens, die die optische Leistung erzielte, die mit der von kommerziellen Objektivlinsen vergleichbar war, und reduzierte den thermischen Drift-Effekt unter hoher Laserbestrahlung erfolgreich (wie in Abbildung 1 gezeigt). . Das ausgewählte 4H-SIC-Material hat die Vorteile eines hohen Brechungsindex, einem geringen Verlust des sichtbaren bis nahezu Infrarot-Spektralbereichs, der hervorragenden mechanischen Härte, der chemischen Resistenz und der hohen thermischen Leitfähigkeit. Die optischen Testergebnisse zeigen, dass die 4H-SIC-Superlens die optische Leistung aufweist, die mit der von kommerziellen Objektivlinsen vergleichbar ist. Im Hochleistungs-Laserbestrahlungstest wurde die langfristige kontinuierliche Verarbeitung unter harten Arbeitsbedingungen simuliert, und die 4H-SIC-Superlens zeigten eine stabile Leistung, während die Abhängigkeit von komplexen Kühlsystemen beseitigt wurde und neue Anwendungsaussichten für die SIC-Photonik eröffnete .
Diese 4H-SIC-Superlens sind gegen ein leistungsstarkes kommerzielles Objektivobjektiv (Mitutoyo 378-822-5) mit einem Entwurfsziel von 0. 5 Numerische Apertur (Na) und 1 cm Brennweite. Es ist erwähnenswert, dass die Aperturbreite der 4H-SIC-Superlens 1,15 cm beträgt, was die Strahlgröße überschreitet, die typischerweise von Hochleistungslasern erzeugt wird und eine breite Palette an Anpassungsfähigkeit aufweist. Um das Design und die Vorbereitung auszugleichen, verwendet das Gerät isotrope Nanopillare als Superzellen (wie in Abbildung 2A gezeigt) mit einer Höhe von H=1 µm, um eine dynamische Phase in Form von verkürzten Wellenleitern bereitzustellen. Die Periode zwischen benachbarten Superzellen beträgt p=0. 6 µm, bei dem die Beugungsbegrenzung erreicht werden kann. Da die Doppelbrechung von 4H-SIC einen leichten Phasenunterschied zwischen X- und Y-polarisierten Vorfällen verursacht, optimierte das Forschungsteam jede Superzelle, indem er den Qualitätsfaktor minimierte. Schließlich werden Superzellen von 8 Größen erhalten (Abbildung 2b-d), und jede ausgewählte Superzell erreicht die entsprechende Zielphasenmodulation bei einer Wellenlänge von 1. 0 60 µm, während eine hohe Sendung von mehr als 0,85 ist und unempfindlich ist und unempfindlich ist und unempfindlich ist zur Polarisierung.
Die Herstellung von 4H-SIC-Superlens verwendet eine Reihe von Halbleiterverarbeitungstechnologien wie Elektronenstrahllithographie, physikalische Dampfablagerung und induktiv gekoppelte Plasma-Radierung. Die vollgefüllten Hochspanne -Verhältnisse Nanopillare wurden auf der Substratoberfläche von 1,15 × 1,15 cm² verarbeitet. Wie in Abbildung 3A-E gezeigt, beträgt die Strukturperiode 6 0 0 nm, der Füllfaktor beträgt 0,3 bis 0,78 und die Strukturhöhe ist 1,009 µm, gemessen durch Rasterelektronenmikroskopie und Atomkraftmikroskopie. Die Ergebnisse der Stichprobencharakterisierung beweisen die Exzellenz der Verarbeitungstechnologie. Diese hochbereitete, hochpräzise und hohe Assparitätsverhältnis-Überlauf-Vorbereitungsmethode kann auf ähnliche Geräte angewendet werden, um die Massenproduktion zu erzielen.
Die optische Leistung der 4H-SIC-Superlens wurde unter Verwendung eines selbstgebauten Transmissionsmikroskopie-Bildgebungssystems (wie in 3F gezeigt) getestet. Das System führt vertikal einen parallelen Laser mit einer Wellenlänge von 1 0 30 nm zu den 4H-SIC-Superlens und realisiert die CCD-Bildgebung durch ein koaxiales Mikroskopsystem. Ein Schritt-Scan-Test wurde im Bereich von ± 35 µm in der Fokusebene durchgeführt, und die Bildgebung der Fokusebene und des Fokusfeldes wurde erhalten (wie in 3G-H gezeigt). Die Datenanalyse zeigt, dass das Fokusfeld mit einer Fokuslänge von 1 cm eine glatte Gaußsche Verteilung aufweist. Die Lichtintensitätsverteilung im Fokusebene-Test zeigte eine hervorragende Fokussierungsleistung (Abbildung 3i-J) und die volle Breite des Fokus mit halbhöflicher Höhe betrug 2,9 µm. Nach den Testergebnissen wird die Fokussierungseffizienz der 4H-SIC-Superlens mit 96,31%berechnet. Die Vorfall- und Ausgangsflächen der 4H-SIC-Superlens wurden unter Verwendung eines optischen Leistungsmessgeräts gemessen, und die Durchlässigkeit des Geräts wurde mit 0,71 gemessen. Basierend auf diesen optischen Testergebnissen weist die 4H-SIC-Superlens optische Indikatoren auf, die mit kommerziellen objektiven Linsen vergleichbar sind, und können die gleichen Verarbeitungsfunktionen in Laserverarbeitungssystemen erreichen.
Um die harten kontinuierlichen Verarbeitungsbedingungen in der Laserverarbeitung mit hoher Leistung zu simulieren, wurde der gleiche optische Pfad wie der optische Test im thermischen Drift-Test verwendet, aber die Lichtquelle wurde durch ein 15 W 1 0 30 nm ersetzt Laser. Die Änderungen der Gerätetemperatur, der Fokusebene und der Schnittwirkung der 4H-SIC-Superlens und der kommerziellen Objektivlinse wurden 1 Stunde lang kontinuierlich geprüft. Die Änderungen der Oberflächentemperatur der Geräte, gemessen mit einem thermischen Infrarot-Imagator, sind in 4A-B dargestellt. Nach 60 Minuten Hochleistungs-Laserbestrahlung stieg die Gerätetemperatur der 4H-SIC-Superlens nur um 3,2 Grad und die Temperaturänderung betrug nur 6% der objektiven Linse (Temperaturanstieg von 54,0 Grad). Im Vergleich zu herkömmlichen Objektivlinsen können die 4H-SIC-Superlens nach etwa 10 Minuten ohne zusätzliche Kühlkomponenten eine stabile Temperatur erreichen, und die Temperaturänderung ist kleiner und die Betriebstemperatur ist niedriger. Diese hervorragende Leistung des thermischen Managements zeigt die Wirksamkeit der 4H-SIC-Superlens unter harten Arbeitsbedingungen.
Um die Änderungen in der optischen Leistung des Geräts widerzuspiegeln, wurde der CCD verwendet, um den Fokusebene-Offset des Geräts innerhalb von 1 Stunde (wie in Abbildung 4C-D gezeigt) aufzuzeichnen. Die Testergebnisse zeigen, dass der Fokus der 4H-SIC-Superlens keinen offensichtlichen Versatz hat, während der Schwerpunkt der kommerziellen Objektivlinse nach 30 Minuten offensichtlich veraltet ist und schließlich der CCD aufgrund eines übermäßigen Versatzes nicht abgebildet werden kann. Die volle Breite und die Zentrumkoordinaten des Fokus der halben Höhe werden durch Bildverarbeitung erhalten, und die Fokuskoordinaten werden mit der Anfangsposition verglichen, um die Verschiebungsdaten in der Ebene zu erhalten. Nach 1 Stunde kontinuierlicher Laserbestrahlung mit hoher Leistung wird die Z-Achse-Plattform auf die Verschiebungsentfernung der Brennebene zurückgezogen, um den Versatz des Geräts entlang der optischen Achse zu erhalten. Der Fokusebene-Versatz der kommerziellen Objektivlinse beträgt 213 µm, während der Fokusebeneversatz der 4H-SIC-Superlens nur 13 µm beträgt, was darauf hinweist, dass sie eine hervorragende optische Stabilität und Konsistenz während des kontinuierlichen Hochleistungslaserbestrahls aufweist.
Das Laserschneidemperiment wurde unter Verwendung des gleichen optischen Pfades durchgeführt, um den Einfluss der thermischen Drift auf den Verarbeitungseffekt während des tatsächlichen Laserschneidvorgangs zu vergleichen. Das Experiment wählte 4H-SIC-Wafer aus, die als Schnittmaterial äußerst schwierig zu verarbeiten sind. Der optische Schnittpfad wurde nach einem Schritt -Scan -Test kalibriert. Nach der Kalibrierung wurde alle 10 Minuten entlang der x -Richtung geschnitten, und die Änderungen des Schneideneffekts innerhalb von 1 Stunde wurden aufgezeichnet. Die Schnittmorphologie des Querschnitts des Schnittwafers wurde durch ein optisches Mikroskop gekennzeichnet (wie in Abbildung 4E-F gezeigt). Die Ergebnisse zeigten, dass die laserschneidende Leistung der 4H-SIC-Superlens nach 60 Minuten stabil blieb, während sich der Fokus der kommerziellen Objektivlinse nach 30 Minuten erheblich in die Innenseite des Substrats verschob. Die Datenanalyse ergab, dass die Änderung der Schnitttiefe der 4H-SIC-Superlens nach 1 Stunde Betrieb nur 11,4% der der kommerziellen Objektivlinse betrug. Die experimentellen Ergebnisse verifizierten den Test des Offsets der Fokusebene und spiegelten die überlegene Gerätestabilität der 4H-SIC-Superlens in tatsächlichen industriellen Anwendungen wider.
Zusammenfassung und Ausblick
Diese Studie schlug ein 4H-SIC-Superlens vor, das das Problem der thermischen Drift bei der Hochleistungslaserverarbeitung lindern kann. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass die 4H-SIC-Superlens aufgrund seiner hervorragenden thermischen Leitfähigkeit eine hervorragende thermische Stabilität und optische Leistung erzielen. Die Superlens-Benchmarks Die optischen Indikatoren für leistungsstarke kommerzielle objektive Objektivlinsen, und basierend auf Nanokolumn-Superzellen erreicht sie eine effiziente Fokussierung, die gegen Polarisation unempfindlich ist. Das Vorbereitungsproblem von Large-Aperture 4H-SIC-Superlens wurde durch die mit der Massenproduktion kompatibele Halbleiterverarbeitungstechnologie erfolgreich gelöst. Experimente zeigen, dass die Superlens eine diffraktionsbegrenzte Fokussierung auf die entworfene Brennweite erreicht und unter kontinuierlicher Hochleistungslaserbestrahlung eine hervorragende Stabilität aufweist, wobei extrem geringer Fokusschicht viel besser ist als kommerzielle objektive Objektive. In Laserschneidanwendungen ändert sich die Schnittmorphologie mit diesem Superlens wenig. Diese Ergebnisse unterstreichen die überlegene Leistung der 4H-SIC-Superlens im Vergleich zu herkömmlichen objektiven Objektiven, für die normalerweise komplexe Kühlsysteme erforderlich sind, um ähnliche Stabilitätsniveaus zu erreichen. Mit weiterer Forschung und Optimierung wird erwartet, dass die 4H-SIC-Superlens in hoher Leistung in Lasersystemen häufig eingesetzt werden und die Entwicklung verwandter Bereiche fördern. Mit seinem kompakten Design und der exzellenten optischen und thermischen Leistung kann diese neue Generation von Metasurface -Geräten auf Bereiche wie Augmented Reality, Aerospace und Laser Processing angewendet werden, wodurch wichtige Probleme des thermischen Managements in der aktuellen Branche effektiv gelöst werden.
Chen Boyu und Sun Xiaoyu, gemeinsame Doktoranden der Zhejiang University und der West Lake University, sind die zusammengefassten Autoren und Professor Qiu Min der West Lake University, Associate Researcher Pan Meiyan vom Ji Hua Laboratory, Dr. du Kaikai von Mude Micro- Nano (Hangzhou) Technology Co., Ltd., und der Forscher Zhao Ding vom West Lake University Institute of Optoelectronics sind die Mitarbeitern des Papiers. Die Forschungsarbeiten wurden von der National Natural Science Foundation in China und dem Grundfonds der Grundlagenforschungsfonds von Guangdong Provincial und Applied unterstützt und auch vom zukünftigen Branchenforschungszentrum und dem Advanced Micro-Nano-Verarbeitung und Testplattform der West Lake University stark unterstützt.
