في الآونة الأخيرة ، نجحت مجموعة الأبحاث الخاصة بـ Qiu Min في مركز أبحاث الصناعة المستقبلي وكلية الهندسة بجامعة Westlake بنجاح نوعًا جديدًا من جهاز السيليكون الكربريد الضوئي الذي يمكن أن يقلل بشكل فعال من مشكلة الانجراف الحراري في معالجة الليزر عالية الطاقة. استخدم الفريق تقنية أشباه الموصلات لإعداد فطائر كبيرة ، عالية الدقة 4H-SIC ، والتي تم تنظيمها ضد العدسات الموضوعية العالية الأداء ، وتحقيق التركيز المحدودة في الحيود. بعد تشعيع الليزر عالي الطاقة على المدى الطويل ، يظل أداء الجهاز مستقرًا ولا يتأثر تقريبًا بامتصاص الحرارة. يمثل هذا الإنجاز اختراقًا كبيرًا في أنظمة الليزر عالية الطاقة ويفتح آفاقًا جديدة لتطبيقها وتحسين الكفاءة. تم نشر نتائج البحث ذات الصلة في المجلة الدولية المتقدمة للمواد تحت عنوان "4H -sic Metalens: تخفيف تأثير الانجراف الحراري في تشعيع الليزر عالي الطاقة".
خلفية البحث
في معالجة الليزر ، يعد التركيز الدقيق على شعاع دقيق أمرًا بالغ الأهمية. ومع ذلك ، بسبب انخفاض الموصلية الحرارية للمواد العدسة الهدف التقليدية ، من الصعب تبديد الحرارة في الوقت المناسب وفعالة في الوقت المناسب تحت تشعيع الليزر عالي الطاقة ، مما يؤدي تدهور الأداء البصري ، وحتى الضرر الذي لا رجعة فيه. لا تؤثر مشكلة الانجراف الحراري هذه على دقة المعالجة فحسب ، بل تؤثر أيضًا على كفاءة الإنتاج وموثوقية المعدات. على الرغم من أنه يمكن استخدام أجهزة التبريد لتخفيف مشكلة تبديد الحرارة ، إلا أنها تزيد من حجم النظام ووزنه وتكلفة النظام ، ويقلل من تكامل الجهاز وقابلية تطبيقه. لذلك ، هناك حاجة ملحة لنوع جديد من الجهاز البصري يمكنه قمع الانجراف الحراري في معالجة الليزر عالية الطاقة مع الحفاظ على أداء بصري عالي وحجم مضغوط.
كمواد أشباه الموصلات من الجيل الثالث ، يتمتع كربيد السيليكون (SIC) بخصائص ممتازة مثل فجوة النطاق العريض ، والتوصيل الحراري العالي ، والخسارة المنخفضة في النطاق المرئي إلى أسفل الأشعة تحت الحمراء ، والصلابة الميكانيكية الممتازة. يُظهر إمكانات كبيرة في الأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة ، وأجهزة درجات الحرارة العالية والأجهزة عالية التردد ، والإلكترونات الضوئية والبصريات. مع أكثر من 20 عامًا من الخبرة في تكنولوجيا معالجة النانو الصغيرة ، طورت مجموعة الأبحاث الخاصة بـ Qiu Min تقنية معالجة البنية النانوية ذات المناطق العالية والاحترام المتوافقة مع الإنتاج الضخم لمواد 4H SIC. استنادًا إلى مجموعة واسعة من إمكانيات المعالجة في هذه العملية ، صمم الفريق Superlens 4H-SIC كبيرًا مع الإشارة إلى المؤشرات البصرية للعدسات الموضوعية العالية الأداء. في النهاية ، حقق فريق الأبحاث بنجاح أجهزة Superlens عالية الأداء يمكن أن تعمل بشكل ثابت ودائم في ظل ظروف قاسية ، وتلبية المتطلبات الصارمة للصناعة لأجهزة تركيز النقل في معالجة الليزر عالية الطاقة وتعزيز تطوير الصناعات ذات الصلة.
أبرز البحوث
في هذه الدراسة ، صممت مجموعة الأبحاث الخاصة بـ Qiu Min وأعدتها superlens 4H-SIC متجانسة ، والتي حققت الأداء البصري مماثلة لتلك الخاصة بالعدسات الهدف التجارية ، وقلل بنجاح من تأثير الانجراف الحراري تحت تشعيع الليزر عالي الطاقة (كما هو موضح في الشكل 1) . تحتوي مادة 4H-SIC المحددة على مزايا مؤشر الانكسار العالي ، وفقدان منخفض في النطاق الطيفي المرئي إلى الأشعة تحت الحمراء ، والصلابة الميكانيكية الممتازة ، والمقاومة الكيميائية ، والتوصيل الحراري العالي. تُظهر نتائج الاختبار البصري أن 4H-SIC Superlens لها أداء بصري مماثل لأداء العدسات الموضوعية. في اختبار تشعيع الليزر عالي الطاقة ، تم محاكاة المعالجة المستمرة على المدى الطويل في ظل ظروف عمل قاسية ، وأظهرت Superlens 4H-SIC أداءً مستقرًا ، مع التخلص من الاعتماد على أنظمة التبريد المعقدة ، وفتح آفاق تطبيقات جديدة لصالح الضوئيات الضوئية SIC .
يتم تحديد هذا Superlens 4H-SIC مقابل عدسة موضوعية تجارية عالية الأداء (Mitutoyo 378-822-5) ، مع هدف تصميم 0. تجدر الإشارة إلى أن عرض الفتحة في Superlens 4H-SIC هو 1.15 سم ، والذي يتجاوز حجم الشعاع الذي ينتج عادة بواسطة الليزر عالي الطاقة ولديه مجموعة واسعة من القدرة على التكيف. من أجل تحقيق التوازن بين التصميم والتحضير ، يستخدم الجهاز النانوبرات المتناحية الخواص كقواصف فائقة (كما هو موضح في الشكل 2A) ، مع ارتفاع H=1 ، لتوفير مرحلة ديناميكية في شكل دليل موجة مقطوعة. الفترة بين supercells المجاورة هي p=0. 6 ميكرون ، والتي يمكن تحقيق التركيز المحدودة حيود. نظرًا لأن birefringence من 4H-SIC يسبب اختلافًا طفيفًا في الطور بين الحوادث X- و Y ، قام فريق البحث بتحسين كل SuperCell من خلال تقليل عامل الجودة. أخيرًا ، يتم الحصول على supercells من 8 أحجام (الشكل 2B-D) ، ويحقق كل SuperCell المحدد تعديل الطور الهدف المقابل على طول موجة من 1. 0 60 ميكرون إلى الاستقطاب.
يتبنى إعداد Superlens 4H-SIC سلسلة من تقنيات معالجة أشباه الموصلات مثل الطباعة الحجرية لحزمة الإلكترون ، وترسيب البخار المادي ، وحفر البلازما المقترنة بالحدود. تمت معالجة نانوبيلار نانوبيلار عالية المملوءة بالكامل على سطح الركيزة من 1.15 × 1.15 سم مربع. كما هو مبين في الشكل 3A-E ، فإن فترة الهيكل هي 6 0 0 nm ، وعامل التعبئة هو 0.3 إلى 0.78 ، ويبلغ ارتفاع الهيكل 1.009 ميكرون عن طريق مسح المجهر الإلكتروني والطاقة الذرية المجهري. تثبت نتائج توصيف العينة التميز في تكنولوجيا المعالجة. يمكن تطبيق هذه الطريقة الكبيرة ، عالية الدقة ، عالية الدقة ، على السطح الفائق للنسبة الفائقة على الأجهزة المماثلة لتحقيق الإنتاج الضخم.
تم اختبار الأداء البصري لـ 4H-SIC Superlens باستخدام نظام التصوير المجهري للإرسال ذاتيًا (كما هو موضح في الشكل 3F). يوجه النظام رأسياً ليزرًا متوازيًا بطول موجة من 1 0 30 نانومتر إلى Superlens 4H-SIC ويدرك تصوير CCD من خلال نظام المجهر المحوري. تم إجراء اختبار المسح الضوئي في نطاق ± 35 ميكرون على المستوى البؤري ، وتم الحصول على تصوير المستوى البؤري والحقل البؤري (كما هو مبين في الشكل 3G-H). يوضح تحليل البيانات أن الحقل البؤري بطول بؤري يبلغ 1 سم يمثل توزيعًا سلسًا غاوسيًا. أظهر توزيع شدة الضوء في اختبار المستوى البؤري أداء تركيزًا ممتازًا (الشكل 3-J) ، وكان العرض الكامل نصف المرتفع للتركيز 2.9 ميكرون. وفقًا لنتائج الاختبار ، يتم حساب كفاءة التركيز في Superlens 4H-SIC لتكون 96.31 ٪. تم قياس أسطح الحادث والخروج من Superlens 4H-SIC باستخدام مقياس الطاقة البصري ، وتم قياس نقل الجهاز ليكون 0.71. استنادًا إلى نتائج الاختبار البصري هذه ، تعرض Superlens 4H-SIC مؤشرات بصرية مماثلة للعدسات الهدف التجارية ، ويمكنها تحقيق نفس قدرات المعالجة في أنظمة معالجة الليزر.
من أجل محاكاة ظروف المعالجة المستمرة القاسية عالية الطاقة في معالجة الليزر ، تم استخدام نفس المسار البصري مثل الاختبار البصري في اختبار الانجراف الحراري ، ولكن تم استبدال مصدر الضوء بـ 15 W 1 0 30 nm الليزر. تم اختبار التغيرات في درجة حرارة الجهاز ، والطائرة البؤرية ، وتأثير القطع في Superlens 4H-SIC والعدسة الهدف التجارية لمدة ساعة واحدة من التشغيل المستمر. يتم عرض التغييرات في درجة حرارة سطح الجهاز المقاسة بواسطة تصوير حراري الأشعة تحت الحمراء في الشكل 4A-B. بعد 60 دقيقة من تشعيع الليزر عالي الطاقة ، ارتفعت درجة حرارة الجهاز من Superlens 4H-SIC فقط بنسبة 3.2 درجة ، وكان تغير درجة الحرارة 6 ٪ فقط من العدسة الموضوعية (ارتفاع درجة الحرارة عند 54.0 درجة). بالمقارنة مع العدسات الموضوعية التقليدية ، يمكن أن تصل الفوقيات Superlens 4H-SIC إلى درجة حرارة مستقرة بعد الركض لمدة 10 دقائق تقريبًا دون مكونات تبريد إضافية ، وتغير درجة الحرارة أصغر ودرجة حرارة التشغيل أقل. يوضح هذا الأداء الإداري الحراري الممتاز فعالية الفواصل الفائقة 4H-SIC في ظل ظروف عمل قاسية.
من أجل عكس التغييرات في الأداء البصري للجهاز ، تم استخدام CCD لتسجيل إزاحة المستوى البؤري للجهاز في غضون ساعة واحدة (كما هو موضح في الشكل 4C-D). تظهر نتائج الاختبار أن تركيز Superlens 4H-SIC ليس له أي إزاحة واضحة ، في حين أن تركيز العدسة الهدف التجارية له تعويض واضح بعد 30 دقيقة ، وأخيراً لا يمكن تصوير CCD بسبب الإزاحة المفرطة. يتم الحصول على العرض الكامل نصف المرتفع والإحداثيات المركزية للتركيز عن طريق معالجة الصور ، ويتم مقارنة إحداثيات التركيز مع الموضع الأولي للحصول على بيانات الإزاحة داخل الطائرة. بعد ساعة واحدة من تشعيع الليزر المستمر عالي الطاقة ، يتم نقل منصة المحور z إلى مسافة الإزاحة من المستوى البؤري للحصول على إزاحة الجهاز على طول المحور البصري. يبلغ إزاحة المستوى البؤري للعدسة الهدف التجارية 213 ميكرون ، في حين أن إزاحة المستوى البؤري من Superlens 4H-SIC هي 13 ميكرون فقط ، مما يشير إلى أنه يحتوي على ثبات بصري ممتاز واتساق أثناء تشعيع الليزر عالي الطاقة المستمر.
تم تنفيذ تجربة قطع الليزر باستخدام نفس المسار البصري لمقارنة تأثير الانجراف الحراري على تأثير المعالجة أثناء عملية قطع الليزر الفعلية. اختارت التجربة رقائق 4H-SIC ، والتي يصعب معالجتها ، مثل المواد المقطوعة. تمت معايرة المسار البصري القطع عن طريق اختبار مسح الخطوة. بعد المعايرة ، تم إجراء القطع على طول اتجاه X كل 10 دقائق ، وتم تسجيل التغييرات في تأثير القطع خلال ساعة واحدة. تميزت التشكل القطع في المقطع العرضي من رقاقة القطع بمجهر بصري (كما هو مبين في الشكل 4E-F). أظهرت النتائج أن أداء القطع بالليزر للأعلى Superlens 4H-SIC ظل مستقرًا بعد 60 دقيقة من التشغيل ، في حين تحول تركيز العدسة الهدف التجارية بشكل كبير نحو الجزء الداخلي من الركيزة بعد 30 دقيقة. وجد تحليل البيانات أن التغير في عمق القطع للأعلى Superlens 4H-SIC بعد ساعة واحدة من التشغيل كان 11.4 ٪ فقط من العدسة الهدف التجارية. تحقق النتائج التجريبية من اختبار إزاحة الطائرة البؤرية وعكس استقرار الجهاز المتفوق من Superlens 4H-SIC في التطبيقات الصناعية الفعلية.
ملخص والتوقعات
اقترحت هذه الدراسة Superlens 4H-SIC التي يمكن أن تخفف من مشكلة الانجراف الحراري في معالجة الليزر عالية الطاقة. تظهر النتائج التجريبية أن Superlens 4H-SIC تحقق الاستقرار الحراري الممتاز والأداء البصري بسبب الموصلية الحرارية الممتازة. يعيِّن العلامات الفائقة المؤشرات البصرية للعدسات الموضوعية العالية الأداء ، واستنادًا إلى Supercells النانوية ، وهي تحقق تركيزًا فعالًا غير حساس للاستقطاب. تم حل مشكلة تحضير Superlens 4H-SIC الكبيرة بنجاح من خلال تقنية معالجة أشباه الموصلات المتوافقة مع الإنتاج الضخم. تبين التجارب أن Superlens يحقق التركيز المحدودة للحيود على طول البؤرة المصمم ويظهر ثباتًا ممتازًا في ظل تشعيع الليزر المستمر عالي الطاقة ، مع تحول تركيز صغير للغاية ، وهو أفضل بكثير من العدسات الهدفية التجارية. في تطبيقات قطع الليزر ، يتغير مورفولوجيا القطع باستخدام هذه الفائقة. تسلط هذه النتائج الضوء على الأداء المتفوق لـ 4H-SIC Superlens مقارنة بالعدسات الموضوعية التقليدية ، والتي تتطلب عادةً أنظمة تبريد معقدة لتحقيق مستويات مماثلة من الاستقرار. نتطلع إلى الأمام ، مع مزيد من البحث والتحسين ، من المتوقع استخدام Superlens 4H-SIC على نطاق واسع في أنظمة الليزر عالية الطاقة وتعزيز تطوير الحقول ذات الصلة. بفضل تصميمه المدمج والأداء البصري والحراري الممتاز ، يمكن تطبيق هذا الجيل الجديد من أجهزة Metasurface على مجالات مثل الواقع المعزز ، والفضاء والليزر ، وحل مشكلات الإدارة الحرارية الرئيسية بشكل فعال في الصناعة الحالية.
تشن بويو وسن شياوويو ، طلاب الدكتوراه المشتركة في جامعة تشجيانغ وجامعة ويست ليك ، هم المؤلفون الأولون المشاركون ، والبروفيسور تشيو مين من جامعة ويست ليك ، باحث مشارك بان ميان في مختبر جي هوا ، د. دو كايكاي من مود ميكرو. Nano (Hangzhou) Technology Co. ، Ltd. ، والباحث Zhao Ding من معهد جامعة ويست ليك للإلكترونات الضوئية هم المؤلفون المشاركون في الورقة. تم دعم العمل البحثي من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين وصندوق الأبحاث الأساسية في قوانغدونغ الأساسية والتطبيقية ، كما تم دعمه بشدة من قبل مركز أبحاث الصناعة المستقبلي ومنصة معالجة واختبار Micro-Nano المتقدمة في جامعة ويست ليك.
