בעיות סחף תרמי בעיבוד לייזר גבוה בעוצמה גבוהה

לאחרונה, קבוצת המחקר של צ'יו מין במרכז המחקר העתידי בתעשייה ובית הספר להנדסה באוניברסיטת ווסטלייק פיתחה בהצלחה סוג חדש של מכשיר פוטוני סיליקון קרביד שיכול להפחית ביעילות את בעיית הסחף התרמי בעיבוד לייזר בעל עוצמה גבוהה. הצוות השתמש בטכנולוגיית מוליכים למחצה כדי להכין סופרלנס עם דיוק גדול, דיוק גבוה 4H-SIC, המיושם כנגד עדשות אובייקטיביות מסחריות בעלות ביצועים גבוהים והשיג מיקוד מוגבל דיפרקציה. לאחר הקרנת לייזר בעלת עוצמה גבוהה לטווח הארוך, ביצועי המכשיר נשארים יציבים וכמעט אינם מושפעים מספיגת חום. הישג זה מייצג פריצת דרך משמעותית במערכות לייזר בעלות עוצמה גבוהה ופותח אופקים חדשים לשיפור היישום והיעילות שלהם. תוצאות המחקר הרלוונטיות פורסמו בכתב העת הבינלאומי בכתב העת Advanced Materials תחת הכותרת "Metalens 4H -SIC: הפחתת אפקט סחף תרמי בהקרנת לייזר בעלת עוצמה גבוהה".

רקע מחקר
בעיבוד לייזר, מיקוד קרן מדויק הוא קריטי. עם זאת, בשל המוליכות התרמית הנמוכה של חומרי עדשה אובייקטיבית מסורתית, קשה לפזר חום באופן מתוזמן ויעיל תחת הקרנת לייזר בעלת עוצמה גבוהה, וכתוצאה מכך עיוות או התכה של העדשה עקב לחץ תרמי, הגורם להיסחף מיקוד, השפלה של ביצועים אופטיים ואפילו נזק בלתי הפיך. בעיית הסחף תרמית זו לא רק משפיעה על דיוק העיבוד, אלא גם מגבילה את יעילות הייצור ואת אמינות הציוד. למרות שניתן להשתמש במכשירי קירור כדי להקל על בעיית פיזור החום, זה מגדיל את הנפח, המשקל והעלות של המערכת, ומפחית את האינטגרציה והיישום של המכשיר. לכן, יש צורך דחוף בסוג חדש של מכשיר אופטי שיכול לדכא סחף תרמי בעיבוד לייזר בעל עוצמה גבוהה תוך שמירה על ביצועים אופטיים גבוהים וגודל קומפקטי.

כחומר מוליכים למחצה מהדור השלישי, לסיליקון קרביד (SIC) יש מאפיינים מצוינים כמו פס פס רחב, מוליכות תרמית גבוהה, אובדן נמוך בלהקה הנראית כמעט לאינפרא אדום וקשיות מכנית מעולה. זה מראה פוטנציאל גדול במכשירים אלקטרוניים בעלי עוצמה גבוהה, מכשירים בטמפרטורה גבוהה ותדר גבוה, אופטואלקטרוניקה ואופטיקה. עם ניסיון של למעלה מעשרים שנה בטכנולוגיית עיבוד מיקרו-ננו, קבוצת המחקר של צ'יו מין פיתחה טכנולוגיית עיבוד ננו-מבנים באזור גדול, התואם לייצור המוני עבור חומרים 4H-SIC. בהתבסס על המגוון הרחב של יכולות העיבוד של תהליך זה, הצוות עיצב סופרלנס 4H-SIC גדול של 4H-SIC בהתייחס לאינדיקטורים האופטיים של עדשות אובייקטיביות מסחריות בעלות ביצועים גבוהים. בסופו של דבר, צוות המחקר השיג בהצלחה מכשירי סופרלנס בעלי ביצועים גבוהים שיכולים לעבוד ביציבות ועמידה בתנאים קשים, ועמדו בדרישות הקפדניות של הענף למכשירי מיקוד העברה בעיבוד לייזר בעל עוצמה גבוהה וקידום פיתוח תעשיות קשורות.

מדגישים מחקר

במחקר זה, קבוצת המחקר של צ'יו מין עיצבה והכינה סופרלנס 4H-SIC הומוגני, שהשיגה ביצועים אופטיים הדומים לזו של עדשות אובייקטיביות מסחריות, והפחיתה בהצלחה את אפקט הסחף התרמי תחת הקרנת לייזר בעלת עוצמה גבוהה (כפי שמוצג באיור 1) ו לחומר 4H-SIC שנבחר יש יתרונות של מדד שבירה גבוה, אובדן נמוך בטווח הספקטרלי הנראה לעין כמעט אינפרא אדום, קשיות מכנית מעולה, עמידות כימית ומוליכות תרמית גבוהה. תוצאות הבדיקה האופטית מראות כי לסופרלנס 4H-SIC יש ביצועים אופטיים הדומים לזו של עדשות אובייקטיביות מסחריות. במבחן ההקרנה של הלייזר הגבוה של לייזר, הדומה לעיבוד רציף ארוך טווח בתנאי עבודה קשים, והסופרלנס 4H-SIC הראו ביצועים יציבים, תוך כדי נפטר מהתלות במערכות קירור מורכבות, ופתחו סיכויי יישום חדשים ל- SIC פוטוניקה ו

Superlens זה 4H-SIC מסומנים כנגד עדשה אובייקטיבית מסחרית בעלת ביצועים גבוהים (Mitutoyo 378-822-5), עם יעד עיצובי של 0. 5 צמצם מספרי (Na) ואורך מוקד 1 ס"מ. ראוי לציין כי רוחב הצמצם של ה- Superlens 4H-SIC הוא 1.15 ס"מ, העולה על גודל הקורה המיוצר בדרך כלל על ידי לייזרים בעלי עוצמה גבוהה ובעל מגוון רחב של יכולת הסתגלות. על מנת לאזן בין תכנון והכנה, המכשיר משתמש בננו -פילרים איזוטרופיים כמו תאי -על (כפי שמוצג באיור 2 א), עם גובה H=1 מיקרומטר, כדי לספק שלב דינאמי בצורה של מדורי גל קטוע. התקופה בין תאי-על סמוכים היא P=0. 6 מיקרומטר, בו ניתן להשיג מיקוד מוגבל דיפרקציה. מכיוון שההתנהלות של 4H-SIC גורמת להבדל שלב קל בין אירועים מקוטבי X- ו- Y, צוות המחקר מיטב את כל תא העל על ידי צמצום גורם האיכות. לבסוף, מתקבלים תאי-על של 8 גדלים (איור 2B-D), וכל תא סופר נבחר משיג את אפנון שלב היעד המתאים באורך גל של 1. 0 60 מיקרומטר, תוך העברת העברת גבוהה יותר מ- 0.85 והיותם חסרי רגישות לקיטוב.

הכנת סופרלנס 4H-SIC מאמצת סדרה של טכנולוגיות לעיבוד מוליכים למחצה כמו ליטוגרפיה של קרן אלקטרונים, תצהיר אדים פיזי ותחריט פלזמה משולב באופן אינדוקטיבי. יחס רוחב -גובה גבוה מלא ננו -ננו -פילרים עובדו על משטח המצע של 1.15 × 1.15 ס"מ². כפי שמוצג באיור 3A-E, תקופת המבנה היא 6 0 0 ננומטר, גורם המילוי הוא 0.3 עד 0.78, וגובה המבנה הוא 1.009 מיקרומטר שנמדד על ידי סריקת מיקרוסקופיית אלקטרונים ומיקרוסקופיית כוח אטומי. תוצאות אפיון הדגימה מוכיחות את המצוינות של טכנולוגיית העיבוד. ניתן ליישם את שיטת ההכנה העליונה של שיטת ההכנה העליונה של שיטת ההכנה העליונה, דיוק גבוה, ביחס גבוה, על מנת להשיג ייצור המוני.

הביצועים האופטיים של הסופרלנס 4H-SIC נבדקו באמצעות מערכת הדמיה של מיקרוסקופיה בהעברה עצמית (כפי שמוצג באיור 3F). המערכת מנחה אנכית לייזר מקביל עם אורך גל של 1 0 30 ננומטר לסופרלנס 4H-SIC ומבין הדמיית CCD באמצעות מערכת מיקרוסקופ קואקסיאלית. בדיקת סריקה שלבים בוצעה בטווח של ± 35 מיקרומטר במישור המוקד, והתקבלה הדמיה של מישור המוקד ושדה המוקד (כפי שמוצג באיור 3G-H). ניתוח נתונים מראה כי שדה המוקד באורך מוקד של 1 ס"מ מציג חלוקה גאוסית חלקה. התפלגות עוצמת האור במבחן מישור המוקד הראתה ביצועי מיקוד מצוינים (איור 3I-J), והרוחב המלא של חצי הגובה של המיקוד היה 2.9 מיקרומטר. על פי תוצאות הבדיקה, יעילות המיקוד של הסופרלנס 4H-SIC מחושבת כ- 96.31%. משטחי האירוע והיציאה של סופרלנס 4-SIC נמדדו באמצעות מד כוח אופטי, והעברת המכשיר נמדדה כ- 0.71. בהתבסס על תוצאות הבדיקה האופטיות הללו, סופרלנס 4H-SIC מציג אינדיקטורים אופטיים הדומים לעדשות אובייקטיביות מסחריות ויכולות להשיג את אותן יכולות עיבוד במערכות עיבוד לייזר.

על מנת לדמות את תנאי העיבוד הרציפים הקשים בעוצמה גבוהה בעיבוד לייזר, אותו נתיב אופטי בו נעשה שימוש בבדיקה האופטית במבחן הסחף התרמי, אך מקור האור הוחלף ב- 15 W 1 {}} 30 ננומטר. לייזר. השינויים בטמפרטורת המכשיר, מישור המוקד והשפעת החיתוך של סופרלנס 4H-SIC ועדשת אובייקטיבית מסחרית נבדקו למשך שעה של פעולה רציפה. השינויים בטמפרטורת פני המכשיר הנמדדים על ידי תמונה תרמית אינפרא אדום מוצגים באיור 4A-B. לאחר 60 דקות של הקרנת לייזר בעלת עוצמה גבוהה, טמפרטורת המכשיר של הסופרלנס 4H-SIC עלתה רק ב -3.2 מעלות, ושינוי הטמפרטורה היה רק ​​6% מהעדשה האובייקטיבית (עליית הטמפרטורה של 54.0 מעלות). בהשוואה לעדשות אובייקטיביות מסורתיות, סופרלנס 4H-SIC יכולים להגיע לטמפרטורה יציבה לאחר ריצה במשך כעשר דקות ללא רכיבי קירור נוספים, ושינוי הטמפרטורה קטן יותר וטמפרטורת ההפעלה נמוכה יותר. ביצועי ניהול תרמיים מצוינים אלה מדגימים את היעילות של הסופרלנס 4H-SIC בתנאי עבודה קשים.

על מנת לשקף את השינויים בביצועים האופטיים של המכשיר, ה- CCD שימש לתיעוד קיזוז מישור המוקד של המכשיר תוך שעה (כפי שמוצג באיור 4C-D). תוצאות הבדיקה מראות כי למוקד הסופרלנס 4-SIC אין קיזוז ברור מאליו, בעוד שהמוקד של העדשה האובייקטיבית המסחרית קוזז ברור לאחר 30 דקות, ולבסוף לא ניתן לצלם את ה- CCD בגלל קיזוז מוגזם. הרוחב המלא של חצי הגובה והקואורדינטות המרכזיות של המיקוד מתקבלות על ידי עיבוד תמונה, וקואורדינטות המיקוד מושוות למיקום הראשוני כדי להשיג את נתוני העקירה של המטוס. לאחר שעה של הקרנת לייזר בעלת עוצמה גבוהה רציפה, פלטפורמת ציר ה- Z מועברת חזרה למרחק העקירה של מישור המוקד כדי להשיג את קיזוז המכשיר לאורך הציר האופטי. קיזוז מישור המוקד של העדשה האובייקטיבית המסחרית הוא 213 מיקרומטר, ואילו קיזוז מישור המוקד של הסופרלנס 4H-SIC הוא 13 מיקרומטר בלבד, מה שמצביע על כך שיש לו יציבות אופטית מעולה ועקביות במהלך הקרנה לייזר גבוהה בעלת כוח גבוה.

ניסוי חיתוך הלייזר בוצע באמצעות אותו נתיב אופטי כדי להשוות את ההשפעה של הסחף התרמי על אפקט העיבוד במהלך תהליך חיתוך הלייזר בפועל. הניסוי בחר וופלים של 4H-SIC, שקשה מאוד לעיבוד, כחומר החתוך. הנתיב האופטי החיתוך מכויל על ידי מבחן סריקת שלבים. לאחר כיול, חיתוך בוצע לאורך כיוון ה- X כל 10 דקות, ונרשמו השינויים באפקט החיתוך תוך שעה. המורפולוגיה החיתוך של חתך הרוח של הוופל החתוך התאפיינה במיקרוסקופ אופטי (כפי שמוצג באיור 4E-F). התוצאות הראו כי ביצועי חיתוך הלייזר של הסופרלנס 4H-SIC נותרו יציבים לאחר 60 דקות של פעולה, בעוד שהמוקד של העדשה האובייקטיבית המסחרית עבר משמעותית לעבר החלק הפנימי של המצע לאחר 30 דקות. ניתוח נתונים מצא כי השינוי בעומק החיתוך של הסופרלנס 4H-SIC לאחר שעת פעולה היה רק ​​11.4% מזה של העדשה האובייקטיבית המסחרית. תוצאות הניסוי אימתו את הבדיקה של קיזוז מישור מוקד ושיקפו את יציבות המכשיר המעולה של הסופרלנס 4H-SIC ביישומים תעשייתיים בפועל.

סיכום והשקפה

מחקר זה הציע סופרלנס 4H-SIC שיכול להקל על בעיית הסחף התרמי בעיבוד לייזר בעל עוצמה גבוהה. תוצאות הניסוי מראות כי הסופרלנס 4H-SIC משיג יציבות תרמית מצוינת וביצועים אופטיים בגלל המוליכות התרמית המצוינת שלו. מדדי הסופרלנס מסמכים את האינדיקטורים האופטיים של עדשות אובייקטיביות מסחריות בעלות ביצועים גבוהים, ובהתבסס על תאי-על ננו-קולור, זה משיג מיקוד יעיל שאינו רגיש לקיטוב. בעיית ההכנה של סופרלנס 4H-SIC-Superlens של 4H-SIC נפתרה בהצלחה באמצעות טכנולוגיית עיבוד מוליכים למחצה התואמת לייצור המוני. ניסויים מראים כי הסופרלנס משיגים התמקדות מוגבלת על ידי דיפרקציה באורך המוקד המעוצב ומציגה יציבות מצוינת תחת הקרנת לייזר בעלת עוצמה גבוהה רציפה, עם שינוי מיקוד קטן במיוחד, שהוא טוב בהרבה מעדשות אובייקטיביות מסחריות. ביישומי חיתוך לייזר, המורפולוגיה החיתוך באמצעות סופרלנס זה משתנה מעט. תוצאות אלה מדגישות את הביצועים המעולים של הסופרלנס 4H-SIC בהשוואה לעדשות אובייקטיביות מסורתיות, אשר בדרך כלל דורשות מערכות קירור מורכבות כדי להשיג רמות דומות של יציבות. במבט קדימה, עם מחקר ואופטימיזציה נוספים, צפוי להשתמש בסופרלנס 4H-SIC בשימוש נרחב במערכות לייזר בעלות עוצמה גבוהה ולקדם פיתוח שדות קשורים. בעזרת העיצוב הקומפקטי והביצועים האופטיים והתרמיים המצוינים שלו, ניתן ליישם את הדור החדש של מכשירי Metasurface על שדות כמו מציאות מוגברת, עיבוד חלל ועיבוד לייזר, ולפתור למעשה בעיות ניהול תרמיות עיקריות בענף הנוכחי.

חן בויו וסאן שיאויו, סטודנטים משותפים של אוניברסיטת ג'ג'יאנג ואוניברסיטת ווסט לייק, הם המחברים הראשונים, ופרופסור קיו מין מאוניברסיטת ווסט לייק, החוקרת המשויכת פן מיאן ממעבדת ג'י הואה, ד"ר דו קייקאי ממאוד מיקרו- Nano (Hungzhou) Technology Co., Ltd., והחוקרת Zhao Ding של המכון לאוניברסיטת ווסט לייק לאופטו-אלקטרוניקה הם המחברים המתאימים לתארים משותפים של העיתון. עבודת המחקר נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין וקרן המחקר הבסיסית הבסיסית המחוזית בגואנגדונג, והיא נתמכה מאוד על ידי מרכז המחקר העתידי בתעשייה ועל פלטפורמת עיבוד ובדיקות מיקרו-ננו מתקדמת של אוניברסיטת ווסט לייק.