Gần đây, nhóm nghiên cứu của Qiu Min tại Trung tâm nghiên cứu công nghiệp tương lai và Trường Kỹ thuật tại Đại học Westlake đã phát triển thành công một loại thiết bị quang tử silicon cacbua mới có thể làm giảm hiệu quả vấn đề trôi dạt nhiệt trong xử lý laser công suất cao. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng công nghệ bán dẫn để chuẩn bị một siêu hạng 4H-SIC chính xác cao, có điểm chuẩn chống lại các ống kính khách quan thương mại hiệu suất cao và đạt được sự tập trung giới hạn nhiễu xạ. Sau khi chiếu xạ laser công suất cao lâu dài, hiệu suất của thiết bị vẫn ổn định và gần như không bị ảnh hưởng bởi sự hấp thụ nhiệt. Thành tích này thể hiện một bước đột phá lớn trong các hệ thống laser công suất cao và mở ra những chân trời mới cho việc cải thiện ứng dụng và hiệu quả của chúng. Các kết quả nghiên cứu có liên quan đã được công bố trên Tạp chí Quốc tế Vật liệu nâng cao theo tiêu đề "Metalens 4H -SIC: giảm thiểu hiệu ứng trôi dạt nhiệt trong chiếu xạ laser công suất cao".
Nghiên cứu nền tảng
Trong xử lý laser, lấy nét chùm tia chính xác là rất quan trọng. Tuy nhiên, do độ dẫn nhiệt thấp của vật liệu ống kính khách quan truyền thống, rất khó để tiêu tan nhiệt một cách kịp thời và hiệu quả dưới sự chiếu xạ laser công suất cao, dẫn đến biến dạng hoặc nóng chảy của ống kính do ứng suất nhiệt, gây ra sự trôi dạt, làm trôi, làm mất tập trung, làm mất tập trung, Sự xuống cấp của hiệu suất quang học, và thậm chí là thiệt hại không thể đảo ngược. Vấn đề trôi dạt nhiệt này không chỉ ảnh hưởng đến độ chính xác của xử lý, mà còn hạn chế hiệu quả sản xuất và độ tin cậy của thiết bị. Mặc dù các thiết bị làm mát có thể được sử dụng để giảm bớt vấn đề tản nhiệt, nhưng nó làm tăng khối lượng, trọng lượng và chi phí của hệ thống, và giảm sự tích hợp và khả năng ứng dụng của thiết bị. Do đó, có một nhu cầu cấp thiết đối với một loại thiết bị quang mới có thể ngăn chặn sự trôi dạt nhiệt trong xử lý laser công suất cao trong khi vẫn duy trì hiệu suất quang học cao và kích thước nhỏ gọn.
Là vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba, silicon cacbua (SIC) có các đặc điểm tuyệt vời như băng tần rộng, độ dẫn nhiệt cao, tổn thất thấp trong dải gần hồng ngoại có thể nhìn thấy và độ cứng cơ học tuyệt vời. Nó cho thấy tiềm năng lớn trong các thiết bị điện tử công suất cao, các thiết bị nhiệt độ cao và tần số cao, quang điện tử và quang học. Với hơn 20 năm kinh nghiệm trong công nghệ xử lý siêu vi-nano, nhóm nghiên cứu của Qiu Min đã phát triển một công nghệ xử lý nano có tỷ lệ cao, khu vực cao, tương thích với sản xuất hàng loạt cho vật liệu 4H-SIC. Dựa trên một loạt các khả năng xử lý của quy trình này, nhóm nghiên cứu đã thiết kế một siêu hạng 4H-SIC apererture lớn có liên quan đến các chỉ số quang học của các ống kính khách quan thương mại hiệu suất cao. Cuối cùng, nhóm nghiên cứu đã đạt được thành công các thiết bị siêu hiệu suất cao có thể hoạt động ổn định và bền trong điều kiện khắc nghiệt, đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của ngành đối với các thiết bị tập trung truyền tải trong xử lý laser công suất cao và thúc đẩy phát triển các ngành công nghiệp liên quan.
Nghiên cứu nổi bật
Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu của Qiu Min đã thiết kế và chuẩn bị một siêu hạng 4H-SIC đồng nhất, đạt được hiệu suất quang học tương đương với các ống kính khách quan thương mại và giảm thành công hiệu ứng trôi dạt nhiệt dưới sự chiếu xạ laser năng lượng cao (như trong Hình 1) . Vật liệu 4H-SIC được chọn có những ưu điểm của chỉ số khúc xạ cao, mất thấp trong phạm vi quang phổ gần hồng ngoại, độ cứng cơ học tuyệt vời, kháng hóa chất và độ dẫn nhiệt cao. Kết quả thử nghiệm quang học cho thấy các siêu hạng 4H-SIC có hiệu suất quang học tương đương với các ống kính khách quan thương mại. Trong thử nghiệm chiếu xạ laser công suất cao, quá trình xử lý liên tục lâu dài trong điều kiện làm việc khắc nghiệt đã được mô phỏng và các siêu hạng 4H-SIC cho thấy hiệu suất ổn định, trong khi loại bỏ sự phụ thuộc vào các hệ thống làm mát phức tạp, mở ra triển vọng ứng dụng mới cho quang tử SIC .
Các superlens 4H-SIC này được đánh giá cao so với ống kính mục tiêu thương mại hiệu suất cao (Mitutoyo 378-822-5), với mục tiêu thiết kế 0. Điều đáng chú ý là chiều rộng khẩu độ của các siêu hạng 4H-SIC là 1,15 cm, vượt quá kích thước chùm tia thường được sản xuất bởi các laser công suất cao và có phạm vi thích ứng rộng. Để cân bằng thiết kế và chuẩn bị, thiết bị sử dụng các nanopillar đẳng hướng làm siêu nhân (như trong Hình 2A), với chiều cao của H=1, để cung cấp pha động dưới dạng ống dẫn sóng bị cắt. Khoảng thời gian giữa các supercell liền kề là p=0. 6, tại đó có thể đạt được sự tập trung giới hạn nhiễu xạ. Do độ phân giải của 4H-SIC gây ra sự khác biệt về pha nhỏ giữa các sự cố phân cực X và Y, nhóm nghiên cứu đã tối ưu hóa mỗi siêu nhân bằng cách giảm thiểu yếu tố chất lượng. Cuối cùng, các supercell có 8 kích thước thu được (Hình 2B-d) và mỗi Supercell được chọn đạt được điều chế pha mục tiêu tương ứng ở bước sóng 1. 0 60 để phân cực.
Việc chuẩn bị các siêu hạng 4H-SIC áp dụng một loạt các công nghệ xử lý bán dẫn như in thạch bản chùm tia điện tử, lắng đọng hơi vật lý và khắc plasma kết hợp theo cảm ứng. Các hạt nano tỷ lệ khung hình cao đầy đủ được xử lý trên bề mặt cơ chất là 1,15 × 1,15 cm². Như được hiển thị trong Hình 3A-E, khoảng thời gian cấu trúc là 6 0 0 nm, hệ số làm đầy là 0,3 đến 0,78 và chiều cao cấu trúc là 1,009. Các kết quả đặc trưng mẫu chứng minh sự xuất sắc của công nghệ xử lý. Phương pháp chuẩn bị siêu bề mặt lớn, có độ chính xác cao, có thể được áp dụng cho các thiết bị tương tự để đạt được sản xuất hàng loạt.
Hiệu suất quang học của các siêu hạng 4H-SIC đã được kiểm tra bằng cách sử dụng hệ thống hình ảnh kính hiển vi truyền tự do tự chế tạo (như trong Hình 3F). Hệ thống hướng dẫn theo chiều dọc một laser song song với bước sóng 1 0 30nm đến các superlens 4H-SIC và nhận ra hình ảnh CCD thông qua hệ thống kính hiển vi đồng trục. Một thử nghiệm quét từng bước đã được thực hiện trong phạm vi ± 35 Pha trên mặt phẳng tiêu cự và hình ảnh của mặt phẳng tiêu cự và trường tiêu cự đã thu được (như trong Hình 3G-H). Phân tích dữ liệu cho thấy trường tiêu cự ở tiêu cự 1 cm thể hiện phân phối Gaussian trơn tru. Phân bố cường độ ánh sáng trong thử nghiệm mặt phẳng tiêu cự cho thấy hiệu suất tập trung tuyệt vời (Hình 3I-J) và chiều rộng đầy đủ nửa chiều cao của tiêu điểm là 2,9. Theo kết quả thử nghiệm, hiệu quả tập trung của các siêu hạng 4H-SIC được tính là 96,31%. Các bề mặt sự cố và thoát của các siêu hạng 4H-SIC được đo bằng máy đo công suất quang học và độ truyền qua của thiết bị được đo là 0,71. Dựa trên các kết quả thử nghiệm quang học này, các siêu hạng 4H-SIC thể hiện các chỉ số quang học tương đương với ống kính khách quan thương mại và có thể đạt được khả năng xử lý tương tự trong các hệ thống xử lý laser.
Để mô phỏng các điều kiện xử lý liên tục công suất cao khắc nghiệt trong xử lý laser, cùng một đường quang như thử nghiệm quang học được sử dụng trong thử nghiệm trôi nhiệt, nhưng nguồn sáng được thay thế bằng 15 W 1 0 30nm laser. Những thay đổi về nhiệt độ thiết bị, mặt phẳng tiêu cự và hiệu ứng cắt của các siêu hạng 4H-SIC và ống kính khách quan thương mại đã được thử nghiệm trong 1 giờ hoạt động liên tục. Những thay đổi về nhiệt độ bề mặt thiết bị được đo bằng hình ảnh nhiệt hồng ngoại được thể hiện trong Hình 4A-B. Sau 60 phút chiếu xạ laser công suất cao, nhiệt độ thiết bị của các siêu hạng 4H-SIC chỉ tăng 3,2 độ và sự thay đổi nhiệt độ chỉ là 6% ống kính khách quan (tăng nhiệt độ 54,0 độ). So với các ống kính khách quan truyền thống, các superlens 4H-SIC có thể đạt đến nhiệt độ ổn định sau khi chạy trong khoảng 10 phút mà không cần thêm các thành phần làm mát và sự thay đổi nhiệt độ nhỏ hơn và nhiệt độ hoạt động thấp hơn. Hiệu suất quản lý nhiệt tuyệt vời này cho thấy hiệu quả của các siêu hạng 4H-SIC trong điều kiện làm việc khắc nghiệt.
Để phản ánh những thay đổi trong hiệu suất quang học của thiết bị, CCD đã được sử dụng để ghi lại phần bù mặt phẳng tiêu cự của thiết bị trong vòng 1 giờ (như trong Hình 4C-D). Kết quả thử nghiệm cho thấy trọng tâm của các superlens 4H-SIC không có phần bù rõ ràng, trong khi trọng tâm của ống kính mục tiêu thương mại có độ lệch rõ ràng sau 30 phút và cuối cùng CCD không thể được chụp do bù quá mức. Các tọa độ toàn chiều rộng và tọa độ trung tâm của tiêu điểm thu được bằng cách xử lý hình ảnh và tọa độ lấy nét được so sánh với vị trí ban đầu để có được dữ liệu dịch chuyển trong mặt phẳng. Sau 1 giờ chiếu xạ laser công suất cao liên tục, nền tảng trục z được chuyển trở lại khoảng cách dịch chuyển của mặt phẳng tiêu cự để có được phần bù của thiết bị dọc theo trục quang. Độ lệch mặt phẳng tiêu cự của ống kính mục tiêu thương mại là 213 Pha, trong khi mặt phẳng tiêu cự của các superlens 4H-SIC chỉ là 13 Pha, cho thấy nó có độ ổn định quang học và tính nhất quán tuyệt vời trong quá trình chiếu xạ laser công suất cao liên tục.
Thí nghiệm cắt laser được thực hiện bằng cách sử dụng cùng một đường quang để so sánh ảnh hưởng của sự trôi dạt nhiệt đối với hiệu ứng xử lý trong quá trình cắt laser thực tế. Thí nghiệm đã chọn các tấm wafer 4H-SIC, cực kỳ khó xử lý, là vật liệu cắt. Đường dẫn quang cắt được hiệu chỉnh bằng thử nghiệm quét bước. Sau khi hiệu chuẩn, việc cắt được thực hiện dọc theo hướng X cứ sau 10 phút và những thay đổi trong hiệu ứng cắt trong vòng 1 giờ đã được ghi lại. Hình thái cắt của mặt cắt ngang của wafer cắt được đặc trưng bởi kính hiển vi quang học (như trong Hình 4E-F). Kết quả cho thấy hiệu suất cắt laser của các siêu hạng 4H-SIC vẫn ổn định sau 60 phút hoạt động, trong khi trọng tâm của ống kính mục tiêu thương mại chuyển sang bên trong chất nền sau 30 phút. Phân tích dữ liệu cho thấy sự thay đổi về độ sâu cắt của các siêu hạng 4H-SIC sau 1 giờ hoạt động chỉ là 11,4% so với ống kính khách quan thương mại. Các kết quả thử nghiệm đã xác minh thử nghiệm của mặt phẳng tiêu cự bù và phản ánh độ ổn định của thiết bị vượt trội của các siêu hạng 4H-SIC trong các ứng dụng công nghiệp thực tế.
Tóm tắt và triển vọng
Nghiên cứu này đã đề xuất một siêu hạng 4H-SIC có thể làm giảm bớt vấn đề trôi dạt nhiệt trong xử lý laser công suất cao. Kết quả thử nghiệm cho thấy các siêu hạng 4H-SIC đạt được độ ổn định nhiệt tuyệt vời và hiệu suất quang học do độ dẫn nhiệt tuyệt vời của nó. Superlens điểm chuẩn các chỉ số quang học của ống kính khách quan thương mại hiệu suất cao và dựa trên các siêu âm Nanocolumn, nó đạt được sự tập trung hiệu quả không nhạy cảm với sự phân cực. Vấn đề chuẩn bị của các superlens 4H-sic apererture lớn đã được giải quyết thành công thông qua công nghệ xử lý bán dẫn tương thích với sản xuất hàng loạt. Các thí nghiệm cho thấy các Superlens đạt được sự tập trung giới hạn nhiễu xạ ở tiêu cự được thiết kế và thể hiện sự ổn định tuyệt vời dưới sự chiếu xạ laser công suất cao liên tục, với sự thay đổi tiêu cự cực nhỏ, tốt hơn nhiều so với ống kính khách quan thương mại. Trong các ứng dụng cắt laser, hình thái cắt bằng cách sử dụng các superlens này rất ít thay đổi. Những kết quả này nêu bật hiệu suất vượt trội của các siêu hạng 4H-SIC so với các ống kính khách quan truyền thống, thường đòi hỏi các hệ thống làm mát phức tạp để đạt được mức độ ổn định tương tự. Nhìn về phía trước, với nghiên cứu và tối ưu hóa sâu hơn, các siêu hạng 4H-SIC dự kiến sẽ được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống laser công suất cao và thúc đẩy sự phát triển của các lĩnh vực liên quan. Với thiết kế nhỏ gọn và hiệu suất quang học và nhiệt tuyệt vời, thế hệ thiết bị metasurface mới này có thể được áp dụng cho các lĩnh vực như thực tế tăng cường, xử lý hàng không vũ trụ và xử lý laser, giải quyết hiệu quả các vấn đề quản lý nhiệt chính trong ngành công nghiệp hiện tại.
Chen Boyu và Sun Xiaoyu, sinh viên tiến sĩ chung của Đại học Chiết Giang và Đại học West Lake, là tác giả đồng đầu tiên, và Giáo sư Qiu Min của Đại học West Lake, Phó nhà nghiên cứu Pan Meiyan của Phòng thí nghiệm Ji Hua, Tiến sĩ Du Kaikai của Mude Micro- Công ty TNHH Công nghệ Nano (Hàng Châu), và nhà nghiên cứu Zhao Ding của Viện Optoelectronics của Đại học West Lake là các tác giả đồng yếu tố của bài báo. Công trình nghiên cứu được hỗ trợ bởi Quỹ Khoa học Tự nhiên Quốc gia Trung Quốc và Quỹ nghiên cứu cơ bản và ứng dụng của tỉnh Quảng Đông, và cũng được Trung tâm nghiên cứu ngành công nghiệp tương lai hỗ trợ mạnh mẽ và nền tảng thử nghiệm và xử lý vi mô vi mô tiên tiến của Đại học West Lake.
