Son zamanlarda, Qiu Min'in Gelecek Endüstri Araştırma Merkezi'ndeki araştırma grubu ve Westlake Üniversitesi Mühendislik Okulu, yüksek güç lazer işlemesinde termal sürüklenme problemini etkili bir şekilde azaltabilen yeni bir tür silikon karbür fotonik cihaz geliştirdi. Ekip, büyük belirleyici, yüksek hassasiyetli 4H-SIC süperkenler hazırlamak için yarı iletken teknolojisini kullandı, yüksek performanslı ticari objektif lenslere karşı karşılaştırıldı ve kırınım sınırlı odaklanmaya ulaştı. Uzun süreli yüksek güçlü lazer ışınlamasından sonra, cihaz performansı sabit kalır ve ısı emiliminden neredeyse etkilenmez. Bu başarı, yüksek güçlü lazer sistemlerinde büyük bir atılımı temsil eder ve uygulamaları ve verimlilik iyileştirmeleri için yeni ufuklar açar. İlgili araştırma sonuçları, "4H -SIC Mettarens: Yüksek Güçlü Lazer Işınlamada Termal Sürüklenme Etkisini Hakemleme" başlığı altında Uluslararası Advanced Materials'da yayınlanmıştır.
Araştırma arka planı
Lazer işlemede, doğru ışın odaklanması çok önemlidir. Bununla birlikte, geleneksel objektif lens malzemelerinin düşük termal iletkenliği nedeniyle, ısıyı yüksek güçlü lazer ışınlaması altında zamanında ve etkili bir şekilde dağıtmak zordur, bu da termal strese bağlı olarak lensin deformasyonuna veya erimesine neden olur, odak kaymasına neden olur, odak kaymasına neden olur, Optik performansın bozulması ve hatta geri döndürülemez hasar. Bu termal sürüklenme problemi sadece işleme doğruluğunu etkilemekle kalmaz, aynı zamanda üretim verimliliğini ve ekipman güvenilirliğini de sınırlar. Soğutma cihazları ısı yayılma problemini hafifletmek için kullanılabilse de, sistemin hacmini, ağırlığını ve maliyetini arttırır ve cihazın entegrasyonunu ve uygulanabilirliğini azaltır. Bu nedenle, yüksek optik performans ve kompakt boyutu korurken, yüksek güçlü lazer işlemede termal kaymayı baskılayabilen yeni bir optik cihaz türüne acil bir ihtiyaç vardır.
Üçüncü nesil yarı iletken bir malzeme olarak, silikon karbür (sic), geniş bant aralığı, yüksek termal iletkenlik, kızılötesi bandın görünüründe düşük kayıp ve mükemmel mekanik sertlik gibi mükemmel özelliklere sahiptir. Yüksek güçlü elektronik cihazlarda, yüksek sıcaklık ve yüksek frekanslı cihazlarda, optoelektronik ve optiklerde büyük bir potansiyel gösterir. Mikro-nano işleme teknolojisinde 20 yılı aşkın deneyime sahip olan Qiu Min'in araştırma grubu, 4H-SIC malzemeleri için kitle üretimi ile uyumlu büyük alanlı, yüksek oranda orantılı bir nanoyapı işleme teknolojisi geliştirmiştir. Bu sürecin çok çeşitli işleme yeteneklerine dayanarak, ekip yüksek performanslı ticari objektif lenslerin optik göstergelerine referansla büyük bir tercih 4H-sic süperler tasarladı. Sonunda, araştırma ekibi, zorlu koşullar altında istikrarlı ve dayanıklı çalışabilen yüksek performanslı süper lens cihazlarına başarıyla ulaştı, endüstrinin yüksek güçlü lazer işlenmesinde iletim odaklama cihazları için katı gereksinimlerini karşıladı ve ilgili endüstrilerin gelişimini destekledi.
Araştırma Önemli Noktaları
Bu çalışmada, Qiu Min'in araştırma grubu, ticari objektif lenslerle karşılaştırılabilir optik performans elde eden ve yüksek güç lazer ışınlaması altında termal sürüklenme etkisini başarıyla azaltan homojen bir 4H-SIC süperlens'i tasarladı ve hazırladı (Şekil 1'de gösterildiği gibi) . Seçilen 4H-SIC malzemesi, yüksek kırılma indisi, kızılötesine yakın spektral aralığın görünüründe düşük kayıp, mükemmel mekanik sertlik, kimyasal direnç ve yüksek termal iletkenlik avantajlarına sahiptir. Optik test sonuçları, 4H-SIC süperkenlerin ticari objektif lenslerle karşılaştırılabilir optik performansa sahip olduğunu göstermektedir. Yüksek güçlü lazer ışınlama testinde, sert çalışma koşulları altında uzun süreli sürekli işleme simüle edildi ve 4H-SIC süperkenleri, karmaşık soğutma sistemlerine bağımlılıktan kurtulurken, SIC fotonikleri için yeni uygulama beklentileri açarken kararlı bir performans gösterdi. .
Bu 4H-Sic SuperLens, 0 tasarım hedefi ile yüksek performanslı ticari objektif lens (mitutoyo 378-822-5) ile karşılaştırılır. 4H-sic süperkenlerin diyafram genişliğinin 1.15 cm olduğunu, bu da tipik olarak yüksek güç lazerler tarafından üretilen kiriş boyutunu aştığını ve çok çeşitli uyarlanabilirliğe sahip olduğunu belirtmek gerekir. Tasarımı ve hazırlığı dengelemek için, cihaz izotropik nanopilleri, kesilmiş dalga kılavuzları şeklinde dinamik faz sağlamak için H=1} µm yüksekliğiyle süper hücreler (Şekil 2A'da gösterildiği gibi) kullanır. Bitişik süper hücreler arasındaki süre p=0. 4H-SIC'in çift kırılması, X- ve Y-polarize olaylar arasında hafif bir faz farkına neden olduğundan, araştırma ekibi kalite faktörünü en aza indirerek her süper hücreyi optimize etti. Son olarak, 8 boyutta süper hücreler elde edilir (Şekil 2B-d) ve seçilen her Supercell, 1.85'ten fazla yüksek bir geçirgenlik elde ederken, 1. kutuplaşmaya.
4H-Sic SuperLens'in hazırlanması, elektron ışını litografisi, fiziksel buhar birikimi ve endüktif olarak birleştirilmiş plazma aşısı gibi bir dizi yarı iletken işleme teknolojisini benimser. Tamamen doldurulmuş yüksek en boy oranı nanopillar, 1.15 × 1.15 cm² substrat yüzeyi üzerinde işlendi. Şekil 3A-e'de gösterildiği gibi, yapı süresi 6 0 0 nm'dir, dolum faktörü 0.3 ila 0.78'dir ve yapı yüksekliği, tarama elektron mikroskopisi ve atomik kuvvet mikroskopisi ile ölçülen 1.009 um'dir. Örnek karakterizasyon sonuçları, işleme teknolojisinin mükemmelliğini kanıtlamaktadır. Bu büyük alanlı, yüksek hassasiyetli, yüksek alçak orantılı süper yüzey hazırlama yöntemi, seri üretim elde etmek için benzer cihazlara uygulanabilir.
4H-SIC SuperLens'in optik performansı, kendi kendine inşa edilmiş bir şanzıman mikroskopi görüntüleme sistemi kullanılarak test edildi (Şekil 3F'de gösterildiği gibi). Sistem, 4H-sic süperkenlere 1 0 30 nm dalga boyuna sahip paralel bir lazeri dikey olarak yönlendirir ve koaksiyel mikroskop sistemi aracılığıyla CCD görüntüleme gerçekleştirir. Odak düzleminde ± 35 um aralığında bir adım tarama testi yapıldı ve odak düzleminin ve odak alanının görüntülenmesi elde edildi (Şekil 3G-H'de gösterildiği gibi). Veri analizi, odak alanının 1 cm'lik bir odak alanının düzgün bir Gauss dağılımı sunduğunu göstermektedir. Fokal düzlem testindeki ışık yoğunluğu dağılımı mükemmel odaklama performansı gösterdi (Şekil 3I-J) ve odağın yarım yükseklik tam genişliği 2.9 um idi. Test sonuçlarına göre, 4H-SIC süperkenlerin odaklama verimliliği%96.31 olarak hesaplanmıştır. 4H-SIC süperkenlerin olay ve çıkış yüzeyleri bir optik güç ölçer kullanılarak ölçüldü ve cihazın geçirgenliği 0.71 olarak ölçüldü. Bu optik test sonuçlarına dayanarak, 4H-SIC SuperLens, ticari objektif lenslerle karşılaştırılabilir optik göstergeler sergiler ve lazer işleme sistemlerinde aynı işlem özelliklerini elde edebilir.
Lazer işlemede sert yüksek güçlü sürekli işleme koşullarını simüle etmek için, optik testle aynı optik yol, termal sürüklenme testinde kullanıldı, ancak ışık kaynağı 15 W 1 {16}} 30 nm ile değiştirildi. lazer. 4H-SIC süper lenslerinin ve ticari objektif lensin cihaz sıcaklığı, odak düzlemi ve kesme etkisindeki değişiklikler 1 saatlik sürekli çalışma için test edildi. Bir kızılötesi termal görüntüleyici ile ölçülen cihaz yüzey sıcaklığındaki değişiklikler Şekil 4A-B'de gösterilmektedir. 60 dakikalık yüksek güçlü lazer ışınlamasından sonra, 4H-SIC süperkenlerin cihaz sıcaklığı sadece 3.2 derece arttı ve sıcaklık değişimi objektif lensin sadece% 6'sı (54.0 derecelik sıcaklık artışı) idi. Geleneksel objektif lenslerle karşılaştırıldığında, 4H-SIC süper lensleri, ilave soğutma bileşenleri olmadan yaklaşık 10 dakika çalıştıktan sonra sabit bir sıcaklığa ulaşabilir ve sıcaklık değişimi daha küçüktür ve çalışma sıcaklığı daha düşüktür. Bu mükemmel termal yönetim performansı, sert çalışma koşulları altında 4H-SIC süperlentilerinin etkinliğini göstermektedir.
Cihazın optik performansındaki değişiklikleri yansıtmak için CCD, cihazın odak düzlemi ofsetini 1 saat içinde kaydetmek için kullanıldı (Şekil 4C-D'de gösterildiği gibi). Test sonuçları, 4H-SIC süperkenlerin odağının belirgin bir ofsete sahip olmadığını gösterirken, ticari objektif lensin odağının 30 dakika sonra bariz bir ofset olduğunu ve son olarak CCD'nin aşırı ofset nedeniyle görüntülenemediğini göstermektedir. Odak noktasının yarım yükseklikte tam genişlik ve merkez koordinatları görüntü işleme ile elde edilir ve odak koordinatları, düzlem içi yer değiştirme verilerini elde etmek için başlangıç pozisyonu ile karşılaştırılır. 1 saatlik sürekli yüksek güçlü lazer ışınlamasından sonra, Z ekseni platformu, optik eksen boyunca cihazın ofsetini elde etmek için odak düzleminin yer değiştirme mesafesine geri taşınır. Ticari objektif lensin odak düzlemi ofseti 213 um'dir, 4H-SIC süperkenlerin odak düzlemi sadece 13 um'dir, bu da sürekli yüksek güçlü lazer ışınlaması sırasında mükemmel optik stabiliteye ve tutarlılığa sahip olduğunu gösterir.
Lazer kesme deneyi, gerçek lazer kesme işlemi sırasında termal kaymanın işleme etkisi üzerindeki etkisini karşılaştırmak için aynı optik yol kullanılarak gerçekleştirildi. Deney, kesilmiş malzeme olarak işlenmesi son derece zor olan 4H-SIC gofretlerini seçti. Kesme optik yolu, adım tarama testi ile kalibre edildi. Kalibrasyondan sonra, her 10 dakikada bir X yönü boyunca kesme yapıldı ve 1 saat içinde kesme etkisindeki değişiklikler kaydedildi. Kesim gofretin kesitinin kesme morfolojisi, bir optik mikroskop ile karakterize edildi (Şekil 4E-F'de gösterildiği gibi). Sonuçlar, 4H-SIC süperkenlerin lazer kesme performansının 60 dakikalık çalışmadan sonra stabil kaldığını, ticari objektif lensin odağının 30 dakika sonra alt tabakanın içine önemli ölçüde değiştiğini gösterdi. Veri analizi, 1 saatlik çalışmadan sonra 4H-SIC süperlenmesinin kesme derinliğindeki değişikliğin ticari objektif lensin sadece% 11.4'ü olduğunu bulmuştur. Deneysel sonuçlar, odak düzleminin ofsetinin testini doğruladı ve gerçek endüstriyel uygulamalarda 4H-SIC süperkenlerin üstün cihaz stabilitesini yansıttı.
Özet ve Outlook
Bu çalışma, yüksek güçlü lazer işlemesinde termal sürüklenme problemini hafifletebilecek bir 4H-SIC süper girişini önerdi. Deneysel sonuçlar, 4H-SIC SuperLens'in mükemmel termal iletkenliği nedeniyle mükemmel termal stabilite ve optik performans elde ettiğini göstermektedir. SuperLens, yüksek performanslı ticari objektif lenslerin optik göstergelerini karşılaştırır ve nanokolumn süper hücrelerine dayanarak, polarizasyona duyarsız olan verimli bir odaklama sağlar. Büyük belirleyici 4H-SIC süperkenlerin hazırlık problemi, seri üretim ile uyumlu yarı iletken işleme teknolojisi ile başarıyla çözüldü. Deneyler, SuperLens'in tasarlanmış odak uzunluğuna odaklanarak kırınım sınırlı olduğunu ve ticari objektif lenslerden çok daha iyi olan son derece küçük odak kayması ile sürekli yüksek güçlü lazer ışınlaması altında mükemmel stabilite sergilediğini göstermektedir. Lazer kesme uygulamalarında, bu süper kireçleri kullanan kesme morfolojisi çok az değişir. Bu sonuçlar, genellikle benzer stabilite seviyelerine ulaşmak için karmaşık soğutma sistemleri gerektiren geleneksel objektif lenslere kıyasla 4H-SIC süperkenlerin üstün performansını vurgulamaktadır. İlerleyen, daha fazla araştırma ve optimizasyon ile 4H-SIC SuperLens'in yüksek güçlü lazer sistemlerinde yaygın olarak kullanılması ve ilgili alanların gelişimini teşvik etmesi bekleniyor. Kompakt tasarımı ve mükemmel optik ve termal performansı ile bu yeni nesil metasurface cihazları, artırılmış gerçeklik, havacılık ve lazer işleme gibi alanlara uygulanabilir ve mevcut sektördeki anahtar termal yönetim problemlerini etkili bir şekilde çözebilir.
Chen Boyu ve Sun Xiaoyu, Zhejiang Üniversitesi ve West Lake Üniversitesi ortak doktora öğrencileri, ilk yazarlar ve West Lake Üniversitesi Profesör Qiu Min, Ji Hua Laboratuvarı'ndan Yardımcı Pan Meiyan, Dr. Du Kaikai, Mude Micro-'dan Dr. Du Kaikai Nano (Hangzhou) Technology Co., Ltd. ve West Lake Üniversitesi Optoelektronik Enstitüsü'nden araştırmacı Zhao Ding, makalenin ortak yanıt veren yazarlarıdır. Araştırma çalışmaları Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı ve Guangdong İl Temel ve Uygulamalı Temel Araştırma Fonu tarafından desteklenmiştir ve ayrıca gelecekteki Endüstri Araştırma Merkezi ve West Lake Üniversitesi'nin ileri mikro-nano işleme ve test platformu tarafından güçlü bir şekilde desteklenmiştir.
