Riċentement, il-grupp ta 'riċerka ta' Qiu Min fiċ-Ċentru ta 'Riċerka tal-Industrija Futura u l-Iskola ta' l-Inġinerija fl-Università ta 'Westlake żviluppaw b'suċċess tip ġdid ta' apparat fotoniku tal-karbur tas-silikon li jista 'effettivament inaqqas il-problema ta' drift termali fl-ipproċessar tal-lejżer b'qawwa għolja. It-tim uża teknoloġija tas-semikondutturi biex iħejji superlens ta 'preċiżjoni ta' preċiżjoni kbira, ta 'preċiżjoni għolja, immarkati kontra lentijiet oġġettivi kummerċjali ta' prestazzjoni għolja, u kisbu fokus limitat ta 'diffrazzjoni. Wara irradjazzjoni bil-lejżer b'qawwa għolja fit-tul, il-prestazzjoni tal-apparat tibqa 'stabbli u kważi mhix affettwata mill-assorbiment tas-sħana. Din il-kisba tirrappreżenta avvanz maġġuri f'sistemi tal-lejżer b'qawwa għolja u tiftaħ orizzonti ġodda għall-applikazzjoni u t-titjib tal-effiċjenza tagħhom. Ir-riżultati ta 'riċerka rilevanti ġew ippubblikati fil-Ġurnal Internazzjonali Advanced Materials taħt it-titlu "4H -SIC Metalens: Mitgazzjoni ta' effett ta 'drift termali fl-irradjazzjoni tal-lejżer b'qawwa għolja".
Sfond ta 'riċerka
Fl-ipproċessar tal-lejżer, iffokar preċiż tar-raġġ huwa kruċjali. Madankollu, minħabba l-konduttività termali baxxa ta 'materjali tal-lenti oġġettivi tradizzjonali, huwa diffiċli li tinħela s-sħana b'mod f'waqtu u effettiv taħt irradjazzjoni bil-lejżer b'qawwa għolja, li tirriżulta f'deformazzjoni jew tidwib tal-lenti minħabba stress termali, li tikkawża drift tal-fokus, Degradazzjoni tal-prestazzjoni ottika, u anke ħsara irreversibbli. Din il-problema ta 'drift termali mhux biss taffettwa l-eżattezza tal-ipproċessar, iżda wkoll tillimita l-effiċjenza tal-produzzjoni u l-affidabbiltà tat-tagħmir. Għalkemm apparat li jkessaħ jista 'jintuża biex itaffi l-problema ta' dissipazzjoni tas-sħana, iżid il-volum, il-piż u l-ispiża tas-sistema, u jnaqqas l-integrazzjoni u l-applikabilità tal-apparat. Għalhekk, hemm bżonn urġenti għal tip ġdid ta 'apparat ottiku li jista' jrażżan drift termali fl-ipproċessar tal-lejżer b'qawwa għolja filwaqt li jżomm prestazzjoni ottika għolja u daqs kompatt.
Bħala materjal semikonduttur tat-tielet ġenerazzjoni, is-silikon karbur (SIC) għandu karatteristiċi eċċellenti bħal bandgap wiesa ', konduttività termali għolja, telf baxx fil-faxxa viżibbli għal infra-aħmar kważi, u ebusija mekkanika eċċellenti. Juri potenzjal kbir f'apparat elettroniku ta 'enerġija għolja, apparat ta' frekwenza għolja u ta 'frekwenza għolja, optoelectronics u ottika. B'aktar minn 20 sena ta 'esperjenza fit-teknoloġija tal-ipproċessar tal-mikro-nano, il-grupp ta' riċerka ta 'QIU Min żviluppa teknoloġija ta' pproċessar ta 'nanostruttura ta' aspett kbir ta 'żona kbira li hija kompatibbli mal-produzzjoni tal-massa għal materjali 4H-SIC. Ibbażat fuq il-firxa wiesgħa ta 'kapaċitajiet ta' pproċessar ta 'dan il-proċess, it-tim iddisinja superlens 4H-SiC b'apertura kbira b'referenza għall-indikaturi ottiċi ta' lentijiet oġġettivi kummerċjali ta 'prestazzjoni għolja. Fl-aħħar, it-tim ta 'riċerka kiseb b'suċċess apparati Superlens ta' prestazzjoni għolja li jistgħu jaħdmu b'mod stabbli u durabbli f'kundizzjonijiet ħorox, li jissodisfaw ir-rekwiżiti stretti tal-industrija għall-apparati li jiffokaw it-trasmissjoni fl-ipproċessar tal-lejżer b'qawwa għolja u jippromwovu l-iżvilupp ta 'industriji relatati.
Punti ewlenin tar-riċerka
F'dan l-istudju, il-grupp ta 'riċerka ta' Qiu Min iddisinja u ħejja superlens omoġenju 4H-SiC, li kiseb prestazzjoni ottika komparabbli ma 'dik ta' lentijiet oġġettivi kummerċjali, u naqqas b'suċċess l-effett tad-drift termali taħt irradjazzjoni bil-lejżer ta 'enerġija għolja (kif muri fil-Figura 1) Jonqos Il-materjal magħżul 4H-SIC għandu l-vantaġġi ta 'indiċi ta' rifrazzjoni għolja, telf baxx fil-firxa spettrali viżibbli għal kważi infra-aħmar, ebusija mekkanika eċċellenti, reżistenza kimika, u konduttività termali għolja. Ir-riżultati tat-test ottiku juru li s-Superlens 4H-SIC għandu prestazzjoni ottika komparabbli ma 'dik ta' lentijiet oġġettivi kummerċjali. Fit-test tal-irradjazzjoni tal-lejżer b'qawwa għolja, l-ipproċessar kontinwu fit-tul taħt kundizzjonijiet tax-xogħol ħorox kien simulat, u s-Superlens 4H-SiC wera prestazzjoni stabbli, filwaqt li jeħles mid-dipendenza fuq sistemi ta 'tkessiħ kumplessi, li jiftaħ prospetti ta' applikazzjoni ġodda għall-fotonika SIC Jonqos
Dan is-superlens 4H-sic huwa mmarkat kontra lenti oġġettiva kummerċjali ta 'prestazzjoni għolja (mitutoyo 378-822-5), b'miri ta' disinn ta '0. 5 apertura numerika (NA) u 1 cm tul fokali. Ta 'min jinnota li l-wisa' tal-apertura tas-superlens 4H-SiC hija 1.15 cm, li taqbeż id-daqs tar-raġġ tipikament prodott minn lejżers ta 'enerġija għolja u għandu firxa wiesgħa ta' adattabilità. Sabiex jibbilanċja d-disinn u l-preparazzjoni, l-apparat juża nanopillars iżotropiċi bħala superċells (kif muri fil-Figura 2a), b'għoli ta 'H=1 µm, biex jipprovdi fażi dinamika fil-forma ta' waveguides maqtugħin. Il-perjodu bejn is-supercells li jmissu magħhom huwa P=0. 6 µm, li fih jista 'jinkiseb fokus limitat ta' diffrazzjoni. Peress li l-birefringenza ta '4H-SIC tikkawża differenza ta' fażi żgħira bejn inċidenti X- u Y-polarizzati, it-tim ta 'riċerka ottimizza kull supercell billi jimminimizza l-fattur ta' kwalità. Fl-aħħarnett, huma miksuba supercells ta '8 daqsijiet (Figura 2B-D), u kull supercell magħżul jilħaq il-modulazzjoni tal-fażi fil-mira korrispondenti f'tul ta' mewġa ta '1. {0 60 µm, filwaqt li għandu trasmittanza għolja akbar minn 0.85 u li huwa insensittiv għall-polarizzazzjoni.
Il-preparazzjoni ta 'Superlens 4H-SIC tadotta serje ta' teknoloġiji ta 'proċessar tas-semikondutturi bħal litografija b'raġġ ta' elettroni, deposizzjoni ta 'fwar fiżiku u inċiżjoni tal-plażma akkoppjata b'mod induttiv. In-nanopillari tal-proporzjon tal-aspett għoli mimlijin ġew ipproċessati fuq il-wiċċ tas-substrat ta '1.15 × 1.15 cm². Kif muri fil-Figura 3A-E, il-perjodu tal-istruttura huwa 6 0 0 NM, il-fattur tal-mili huwa 0.3 sa 0.78, u l-għoli tal-istruttura huwa 1.009 µm imkejjel billi tiskannja mikroskopija elettronika u mikroskopija tal-forza atomika. Ir-riżultati tal-karatterizzazzjoni tal-kampjun juru l-eċċellenza tat-teknoloġija tal-ipproċessar. Dan il-metodu ta 'tħejjija ta' sopraffa ta 'aspett għoli, ta' preċiżjoni għolja, ta 'preċiżjoni għolja jista' jiġi applikat għal apparati simili biex tinkiseb produzzjoni tal-massa.
Il-prestazzjoni ottika tas-superlens 4H-SiC ġiet ittestjata bl-użu ta 'sistema ta' immaġini ta 'mikroskopija ta' trasmissjoni mibnija minnha nnifisha (kif muri fil-Figura 3F). Is-sistema tiggwida vertikalment laser parallel b'tul ta 'mewġa ta' 1 0 30 nm għas-superlens 4H-sic u tirrealizza l-immaġini CCD permezz ta 'sistema ta' mikroskopju koassjali. Test ta 'skanjar ta' pass sar fil-firxa ta '± 35 µm fuq il-pjan fokali, u l-immaġini tal-pjan fokali u l-kamp fokali kienet miksuba (kif muri fil-Figura 3G-H). L-analiżi tad-dejta turi li l-kamp fokali f'tul fokali ta '1 cm jippreżenta distribuzzjoni Gaussjana bla xkiel. Id-distribuzzjoni tal-intensità tad-dawl fit-test tal-pjan fokali wriet prestazzjoni ta 'fokus eċċellenti (Figura 3I-J), u l-wisa' sħiħa tal-fokus kienet ta '2.9 µm. Skond ir-riżultati tat-test, l-effiċjenza li tiffoka tas-superlens 4H-SiC hija kkalkulata li hija 96.31%. L-uċuħ tal-inċident u tal-ħruġ tas-superlens 4H-SiC ġew imkejla bl-użu ta 'miter tal-qawwa ottika, u t-trasmittanza tal-apparat ġiet imkejla bħala 0.71. Abbażi ta 'dawn ir-riżultati tat-test ottiku, is-Superlens 4H-SIC juri indikaturi ottiċi komparabbli ma' lentijiet oġġettivi kummerċjali, u jistgħu jiksbu l-istess kapaċitajiet ta 'proċessar fis-sistemi ta' proċessar tal-lejżer.
Sabiex tissimula l-kundizzjonijiet ta 'proċessar kontinwu ta' qawwa għolja ħarxa fl-ipproċessar tal-lejżer, l-istess passaġġ ottiku bħat-test ottiku ntuża fit-test tad-drift termali, iżda s-sors tad-dawl ġie sostitwit bi 15 W 1 {0 30 nm Laser. Il-bidliet fit-temperatura tal-apparat, il-pjan fokali, u l-effett tal-qtugħ tas-superlens 4H-SiC u lenti oġġettiva kummerċjali ġew ittestjati għal siegħa ta 'tħaddim kontinwu. Il-bidliet fit-temperatura tal-wiċċ tal-apparat imkejla minn immaġni termali infra-aħmar huma murija fil-Figura 4A-B. Wara 60 minuta ta 'irradjazzjoni bil-lejżer b'qawwa għolja, it-temperatura tal-apparat tas-superlens 4H-SiC żdiedet biss bi 3.2 grad, u l-bidla fit-temperatura kienet biss 6% tal-lenti oġġettiva (żieda fit-temperatura ta '54 .0 grad). Meta mqabbel ma 'lentijiet oġġettivi tradizzjonali, is-superlens 4H-SiC jistgħu jilħqu temperatura stabbli wara li jaħdmu għal madwar 10 minuti mingħajr komponenti addizzjonali ta' tkessiħ, u l-bidla fit-temperatura hija iżgħar u t-temperatura operattiva hija aktar baxxa. Din il-prestazzjoni ta 'ġestjoni termali eċċellenti turi l-effikaċja tas-Superlens 4H-SIC f'kundizzjonijiet tax-xogħol ħorox.
Sabiex tirrifletti l-bidliet fil-prestazzjoni ottika tal-apparat, is-CCD intuża biex jirreġistra l-offset tal-pjan fokali tal-apparat fi żmien siegħa (kif muri fil-Figura 4C-D). Ir-riżultati tat-test juru li l-fokus tas-Superlens 4H-SIC m'għandux offset ovvju, filwaqt li l-fokus tal-lenti oġġettiv kummerċjali għandu offset ovvju wara 30 minuta, u fl-aħħar is-CCD ma jistax jiġi immaġinat minħabba tpaċija eċċessiva. Il-wisa 'sħiħa u l-koordinati taċ-ċentru tal-fokus huma miksuba bl-ipproċessar tal-immaġini, u l-koordinati tal-fokus huma mqabbla mal-pożizzjoni inizjali biex tinkiseb id-dejta tal-ispostament fil-pjan. Wara siegħa ta 'irradjazzjoni kontinwa tal-lejżer b'qawwa għolja, il-pjattaforma tal-assi Z hija mċaqalqa lura għad-distanza ta' spostament tal-pjan fokali biex tinkiseb l-offset tal-apparat tul l-assi ottiku. L-ikkumpensat tal-pjan fokali tal-lenti oġġettiv kummerċjali huwa ta '213 µm, filwaqt li l-pjan fokali ta' l-offset tas-superlens 4H-SiC huwa biss 13 µm, li jindika li għandu stabbiltà u konsistenza ottika eċċellenti matul irradjazzjoni kontinwa tal-lejżer b'qawwa għolja.
L-esperiment tal-qtugħ tal-lejżer sar bl-użu tal-istess passaġġ ottiku biex tqabbel l-influwenza tad-drift termali fuq l-effett tal-ipproċessar matul il-proċess attwali tal-qtugħ tal-lejżer. L-esperiment magħżul wejfers 4H-SiC, li huma diffiċli ħafna biex jiġu pproċessati, bħala l-materjal maqtugħ. Il-passaġġ ottiku tal-qtugħ ġie kkalibrat bit-test tal-iskannjar tal-pass. Wara l-kalibrazzjoni, il-qtugħ sar tul id-direzzjoni x kull 10 minuti, u l-bidliet fl-effett tal-qtugħ fi żmien siegħa ġew irreġistrati. Il-morfoloġija tal-qtugħ tas-sezzjoni trasversali tal-wejfer maqtugħ kienet ikkaratterizzata minn mikroskopju ottiku (kif muri fil-Figura 4E-F). Ir-riżultati wrew li l-prestazzjoni tal-qtugħ bil-lejżer tas-Superlens 4H-SiC baqgħet stabbli wara 60 minuta ta 'operazzjoni, filwaqt li l-fokus tal-lenti oġġettiv kummerċjali tbiddel b'mod sinifikanti lejn in-naħa ta' ġewwa tas-sottostrat wara 30 minuta. L-analiżi tad-dejta sabet li l-bidla fil-fond tal-qtugħ tas-superlens 4H-sic wara siegħa ta 'operazzjoni kienet biss 11.4% ta' dik tal-lenti oġġettiva kummerċjali. Ir-riżultati sperimentali vverifikaw it-test tal-pjan fokali li jpatti u rriflettew l-istabbiltà tal-apparat superjuri tas-superlens 4H-SiC f'applikazzjonijiet industrijali attwali.
Sommarju u prospetti
Dan l-istudju ppropona superlens 4H-SiC li jistgħu jtaffu l-problema ta 'drift termali fl-ipproċessar tal-lejżer b'qawwa għolja. Ir-riżultati sperimentali juru li s-Superlens 4H-SIC jikseb stabbiltà termali eċċellenti u prestazzjoni ottika minħabba l-konduttività termali eċċellenti tagħha. Il-punti ta 'riferiment ta' Superlens L-indikaturi ottiċi ta 'lentijiet oġġettivi kummerċjali ta' prestazzjoni għolja, u bbażati fuq supercells tan-nanocolumn, jiksbu fokus effiċjenti li huwa insensittiv għall-polarizzazzjoni. Il-problema ta 'preparazzjoni ta' superlens 4H-SiC b'apertura kbira ġiet solvuta b'suċċess permezz ta 'teknoloġija tal-ipproċessar tas-semikondutturi kompatibbli mal-produzzjoni tal-massa. Esperimenti juru li s-Superlens jikseb iffokar ta 'diffrazzjoni fit-tul fokali ddisinjat u juri stabbiltà eċċellenti taħt irradjazzjoni tal-lejżer kontinwa b'qawwa għolja, b'fokus estremament żgħir, li huwa ħafna aħjar minn lentijiet oġġettivi kummerċjali. Fl-applikazzjonijiet tal-qtugħ bil-lejżer, il-morfoloġija tal-qtugħ bl-użu ta 'dan is-superlens tinbidel ftit. Dawn ir-riżultati jenfasizzaw il-prestazzjoni superjuri tas-Superlens 4H-SIC meta mqabbla ma 'lentijiet oġġettivi tradizzjonali, li ġeneralment jeħtieġu sistemi ta' tkessiħ kumplessi biex jiksbu livelli simili ta 'stabbiltà. B'ħarsa 'l quddiem, b'aktar riċerka u ottimizzazzjoni, is-Superlens 4H-SiC huwa mistenni li jintuża ħafna f'sistemi ta' lejżer b'qawwa għolja u jippromwovi l-iżvilupp ta 'oqsma relatati. Bid-disinn kompatt tagħha u l-prestazzjoni ottika u termali eċċellenti, din il-ġenerazzjoni ġdida ta 'apparati metasurface tista' tiġi applikata għal oqsma bħal realtà miżjuda, aerospazjali u proċessar tal-lejżer, li ssolvi b'mod effettiv problemi ewlenin ta 'ġestjoni termali fl-industrija attwali.
Chen Boyu u Sun Xiaoyu, studenti tad-dottorat konġunt tal-Università ta 'Zhejiang u l-Università tal-West Lake, huma l-ewwel awturi ko-first, u l-Professur Qiu Min ta' West Lake University, riċerkatur assoċjat Pan Meiyan tal-Laboratorju Ji Hua, Dr Du Kaikai ta 'Mude Micro- Nano (Hangzhou) Technology Co., Ltd., u r-riċerkatur Zhao Ding tal-West Lake University Institute of Optoelectronics huma l-awturi ko-korrispondenti tal-karta. Ix-xogħol ta ’riċerka kien appoġġat mill-Fondazzjoni Nazzjonali tax-Xjenza taċ-Ċina u l-Fond Bażiku ta’ Riċerka Bażika ta ’Guangdong, u kien appoġġat ukoll bil-qawwa miċ-Ċentru ta’ Riċerka tal-Industrija futura u l-pjattaforma avvanzata tal-ipproċessar u l-ittestjar tal-mikro-nano tal-West Lake University.
