Recientemente, el grupo de investigación de Qiu Min en el futuro Centro de Investigación de la Industria y la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Westlake desarrollaron con éxito un nuevo tipo de dispositivo fotónico de carburo de silicio que puede reducir efectivamente el problema de deriva térmica en el procesamiento de láser de alta potencia. El equipo utilizó la tecnología de semiconductores para preparar una gran apertura de superlensas 4H-SIC de alta precisión, comparada con lentes objetivos comerciales de alto rendimiento y logró un enfoque limitado por difracción. Después de la irradiación láser de alta potencia a largo plazo, el rendimiento del dispositivo permanece estable y casi no se ve afectado por la absorción de calor. Este logro representa un gran avance en los sistemas láser de alta potencia y abre nuevos horizontes para su aplicación y mejora de la eficiencia. Los resultados de la investigación relevantes se publicaron en la revista internacional Advanced Materials bajo el título "4H -Sic Metalens: mitigando el efecto de deriva térmica en la irradiación con láser de alta potencia".
Antecedentes de investigación
En el procesamiento de láser, el enfoque preciso del haz es crucial. Sin embargo, debido a la baja conductividad térmica de los materiales de lente objetivo tradicional, es difícil disipar el calor de manera oportuna y efectiva bajo irradiación láser de alta potencia, lo que resulta en la deformación o la fusión de la lente debido al estrés térmico, causando la deriva de enfoque, degradación del rendimiento óptico e incluso el daño irreversible. Este problema de deriva térmica no solo afecta la precisión del procesamiento, sino que también limita la eficiencia de producción y la confiabilidad del equipo. Aunque los dispositivos de enfriamiento se pueden usar para aliviar el problema de disipación de calor, aumenta el volumen, el peso y el costo del sistema, y reduce la integración y aplicabilidad del dispositivo. Por lo tanto, existe una necesidad urgente de un nuevo tipo de dispositivo óptico que pueda suprimir la deriva térmica en el procesamiento láser de alta potencia mientras se mantiene un alto rendimiento óptico y un tamaño compacto.
Como un material semiconductor de tercera generación, el carburo de silicio (SIC) tiene excelentes características como la banda de banda ancha, la alta conductividad térmica, la baja pérdida en la banda visible a la infrarrojo cercano y una excelente dureza mecánica. Muestra un gran potencial en dispositivos electrónicos de alta potencia, dispositivos de alta temperatura y alta frecuencia, optoelectrónica y óptica. Con más de 20 años de experiencia en tecnología de procesamiento de micro-nano, el grupo de investigación de Qiu Min ha desarrollado una gran tecnología de procesamiento de nanoestructura de alta relación de área de área de área de gran área que es compatible con la producción en masa para materiales 4H-SIC. Basado en la amplia gama de capacidades de procesamiento de este proceso, el equipo diseñó una gran superlenss 4H-SIC 4H-SIC con referencia a los indicadores ópticos de lentes objetivos comerciales de alto rendimiento. Al final, el equipo de investigación logró con éxito dispositivos Superlens de alto rendimiento que pueden funcionar de manera estable y duradera en condiciones duras, cumpliendo con los requisitos estrictos de la industria para los dispositivos de enfoque de transmisión en el procesamiento de láser de alta potencia y promover el desarrollo de industrias relacionadas.
Destacados de investigación
En este estudio, el grupo de investigación de Qiu Min diseñó y preparó un homogéneo superlensas 4H-SIC, que logró un rendimiento óptico comparable al de las lentes objetivos comerciales, y redujo con éxito el efecto de deriva térmica bajo irradiación láser de alta potencia (como se muestra en la Figura 1) . El material 4H-SIC seleccionado tiene las ventajas del alto índice de refracción, baja pérdida en el rango espectral visible a infrarrojo cercano, excelente dureza mecánica, resistencia química y alta conductividad térmica. Los resultados de las pruebas ópticas muestran que los Superlens 4H-SIC tienen un rendimiento óptico comparable al de las lentes objetivos comerciales. En la prueba de irradiación con láser de alta potencia, se simuló el procesamiento continuo a largo plazo en condiciones de trabajo duras, y las superlensas 4H-SIC mostraron un rendimiento estable, al tiempo que eliminó la dependencia de los sistemas de enfriamiento complejos, abriendo nuevas perspectivas de aplicaciones para SIC Photonics .
Esta superlens 4H-SIC está comparada con una lente objetivo comercial de alto rendimiento (Mitutoyo 378-822-5), con un objetivo de diseño de 0. 5 Apertura numérica (NA) y 1 cm de longitud focal. Vale la pena señalar que el ancho de apertura de las superlenses 4H-SIC es de 1,15 cm, que excede el tamaño del haz típicamente producido por láseres de alta potencia y tiene una amplia gama de adaptabilidad. Para equilibrar el diseño y la preparación, el dispositivo utiliza nanopilares isotrópicos como supercélulas (como se muestra en la Figura 2A), con una altura de H=1 µm, para proporcionar una fase dinámica en forma de guías de onda truncadas. El período entre supercélulas adyacentes es P=0. 6 µm, en el que se puede lograr el enfoque limitado por difracción. Dado que la birrefringencia de 4H-SIC causa una ligera diferencia de fase entre los incidentes polarizados con X e Y, el equipo de investigación optimizó cada supercélula al minimizar el factor de calidad. Finalmente, se obtienen supercélulas de 8 tamaños (Figura 2B-D), y cada supercélula seleccionada logra la modulación de la fase objetivo correspondiente a una longitud de onda de 1. 0 60 µm, mientras que tiene una alta transmitancia mayor de 0.85 y es insensible a la polarización.
La preparación de superlenses 4H-SIC adopta una serie de tecnologías de procesamiento de semiconductores, como la litografía del haz de electrones, la deposición de vapor físico y el grabado de plasma acoplado inductivamente. Se procesaron nanopilares de alta relación de aspecto completamente llenos en la superficie del sustrato de 1.15 × 1.15 cm². Como se muestra en la Figura 3A-E, el período de estructura es 6 0 0 nm, el factor de llenado es 0.3 a 0.78, y la altura de la estructura es 1.009 µm medida mediante la microscopía electrónica y la microscopía de fuerza atómica. Los resultados de la caracterización de la muestra demuestran la excelencia de la tecnología de procesamiento. Este método de preparación de Supersuperface de alta precisión, alta precisión y alta precisión se puede aplicar a dispositivos similares para lograr la producción en masa.
El rendimiento óptico de las superlenses 4H-SIC se probó utilizando un sistema de imágenes de microscopía de transmisión auto-construcción (como se muestra en la Figura 3F). El sistema guía verticalmente un láser paralelo con una longitud de onda de 1 0 30 nm a las superlenses 4H-SIC y realiza la imagen CCD a través de un sistema de microscopio coaxial. Se realizó una prueba de escane de paso dentro del rango de ± 35 µm en el plano focal, y se obtuvieron imágenes del plano focal y el campo focal (como se muestra en la Figura 3G-H). El análisis de datos muestra que el campo focal a una longitud focal de 1 cm presenta una distribución gaussiana suave. La distribución de la intensidad de la luz en la prueba del plano focal mostró un excelente rendimiento de enfoque (Figura 3I-J), y el ancho completo de media altura del enfoque era de 2.9 µm. Según los resultados de la prueba, la eficiencia de enfoque de los superlenses 4H-SIC se calcula en 96.31%. Las superficies de incidente y salida de las superlensas 4H-SIC se midieron utilizando un medidor de potencia óptica, y la transmitancia del dispositivo se midió como 0.71. Según estos resultados de las pruebas ópticas, los superlenses 4H-SIC exhiben indicadores ópticos comparables a las lentes objetivos comerciales, y pueden lograr las mismas capacidades de procesamiento en los sistemas de procesamiento de láser.
Para simular las duras condiciones de procesamiento continuo de alta potencia en el procesamiento de láser, la misma ruta óptica que la prueba óptica se usó en la prueba de deriva térmica, pero la fuente de luz se reemplazó con un 15 W 1 0 30 nm láser. Los cambios en la temperatura del dispositivo, el plano focal y el efecto de corte de las superlensas 4H-SIC y la lente objetivo comercial se probaron durante 1 hora de operación continua. Los cambios en la temperatura de la superficie del dispositivo medido por un imágenes térmicas infrarrojas se muestran en la Figura 4A-B. Después de 60 minutos de irradiación láser de alta potencia, la temperatura del dispositivo de las superlensas 4H-SIC solo aumentó en 3.2 grados, y el cambio de temperatura fue solo el 6% de la lente objetivo (aumento de la temperatura de 54.0 grados). En comparación con las lentes objetivas tradicionales, las superlensas 4H-SIC pueden alcanzar una temperatura estable después de funcionar durante aproximadamente 10 minutos sin componentes de enfriamiento adicionales, y el cambio de temperatura es menor y la temperatura de funcionamiento es más baja. Este excelente rendimiento de gestión térmica demuestra la efectividad de los superlenses 4H-SIC en duras condiciones de trabajo.
Para reflejar los cambios en el rendimiento óptico del dispositivo, el CCD se usó para registrar el desplazamiento del plano focal del dispositivo dentro de 1 hora (como se muestra en la Figura 4C-D). Los resultados de la prueba muestran que el enfoque de los Superlens 4H-SIC no tiene un desplazamiento obvio, mientras que el enfoque de la lente objetivo comercial tiene una compensación obvia después de 30 minutos, y finalmente el CCD no puede ser imágenes debido a un desplazamiento excesivo. Las coordenadas de ancho y centro de media altura de media altura del enfoque se obtienen mediante el procesamiento de imágenes, y las coordenadas de enfoque se comparan con la posición inicial para obtener los datos de desplazamiento en el plano. Después de 1 hora de irradiación láser de alta potencia continua, la plataforma del eje Z se mueve de regreso a la distancia de desplazamiento del plano focal para obtener el desplazamiento del dispositivo a lo largo del eje óptico. El desplazamiento del plano focal de la lente objetivo comercial es de 213 µm, mientras que el desplazamiento del plano focal de los superlenses 4H-SIC es de solo 13 µm, lo que indica que tiene una excelente estabilidad óptica y consistencia durante la irradiación láser de alta potencia continua.
El experimento de corte con láser se llevó a cabo utilizando la misma ruta óptica para comparar la influencia de la deriva térmica en el efecto de procesamiento durante el proceso real de corte láser. El experimento seleccionó a las obleas 4H-SIC, que son extremadamente difíciles de procesar, como el material de corte. La ruta óptica de corte se calibró mediante la prueba de escaneo de pasos. Después de la calibración, el corte se realizó a lo largo de la dirección X cada 10 minutos, y se registraron los cambios en el efecto de corte dentro de 1 hora. La morfología de corte de la sección transversal de la oblea cortada se caracterizó por un microscopio óptico (como se muestra en la Figura 4E-F). Los resultados mostraron que el rendimiento de corte láser de las superlensas 4H-SIC se mantuvo estable después de 60 minutos de operación, mientras que el enfoque de la lente objetivo comercial cambió significativamente hacia el interior del sustrato después de 30 minutos. El análisis de datos encontró que el cambio en la profundidad de corte de las superlensas 4H-SIC después de 1 hora de operación fue solo el 11.4% del de la lente objetivo comercial. Los resultados experimentales verificaron la prueba del desplazamiento del plano focal y reflejaron la estabilidad del dispositivo superior de las superlensas 4H-SIC en aplicaciones industriales reales.
Resumen y perspectiva
Este estudio propuso una superlenss 4H-SIC que puede aliviar el problema de deriva térmica en el procesamiento de láser de alta potencia. Los resultados experimentales muestran que la superlenss 4H-SIC logra una excelente estabilidad térmica y rendimiento óptico debido a su excelente conductividad térmica. Los Superlens comparan los indicadores ópticos de lentes objetivos comerciales de alto rendimiento, y basados en supercélulas de nanocolumna, logra un enfoque eficiente que es insensible a la polarización. El problema de preparación de los superlenses 4H-SIC de gran apertura se resolvió con éxito a través de la tecnología de procesamiento de semiconductores compatibles con la producción en masa. Los experimentos muestran que el Superlens logra un enfoque limitado por difracción en la longitud focal diseñada y exhibe una excelente estabilidad bajo irradiación láser de alta potencia continua, con un cambio de enfoque extremadamente pequeño, que es mucho mejor que las lentes objetivas comerciales. En las aplicaciones de corte con láser, la morfología de corte utilizando esta superlens cambia poco. Estos resultados destacan el rendimiento superior de las superlenses 4H-SIC en comparación con las lentes objetivas tradicionales, que generalmente requieren sistemas de enfriamiento complejos para lograr niveles similares de estabilidad. Mirando hacia el futuro, con más investigación y optimización, se espera que los Superlens 4H-SIC se usen ampliamente en sistemas láser de alta potencia y promueva el desarrollo de campos relacionados. Con su diseño compacto y su excelente rendimiento óptico y térmico, esta nueva generación de dispositivos de metasuperficie se puede aplicar a campos como la realidad aumentada, el procesamiento aeroespacial y láser, resolviendo efectivamente problemas clave de gestión térmica en la industria actual.
Chen Boyu y Sun Xiaoyu, estudiantes de doctorado conjuntos de la Universidad de Zhejiang y la Universidad de West Lake, son los autores del co-primero y el profesor Qiu Min de la Universidad de West Lake, el investigador asociado Pan Meiyan de Ji Hua Laboratory, Dr. Du Kaikai de Mude Micro- Nano (Hangzhou) Technology Co., Ltd., y el investigador Zhao Ding del Instituto de Optoelectrónica de la Universidad de West Lake son los autores que corresponden a los autores del documento. El trabajo de investigación fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China y el Fondo de Investigación Básica y Básica Provincial Basic de Guangdong, y también fue firmemente apoyado por el futuro Centro de Investigación de la Industria y la avanzada plataforma de procesamiento y prueba de micro-nano de la Universidad de West Lake.
