Récemment, le groupe de recherche de Qiu Min au Future Industry Research Center et à l'École d'ingénierie de l'Université de Westlake a développé avec succès un nouveau type de dispositif photonique en carbure de silicium qui peut réduire efficacement le problème de dérive thermique dans le traitement laser haute puissance. L'équipe a utilisé la technologie des semi-conducteurs pour préparer un superlens 4H-SIC de grande précision, comparé aux lentilles d'objectif commercial de haute performance et a réalisé une concentration limitée par diffraction. Après irradiation laser à long terme à haute puissance, les performances du dispositif restent stables et sont presque non affectées par l'absorption de chaleur. Cette réalisation représente une percée majeure dans les systèmes laser de haute puissance et ouvre de nouveaux horizons pour leur application et leur amélioration de l'efficacité. Les résultats de la recherche pertinents ont été publiés dans l'International Journal Advanced Materials sous le titre "4H -SIC Metalens: atténuation de l'effet de dérive thermique dans l'irradiation laser haute puissance".
Contexte de recherche
Dans le traitement au laser, la focalisation précise du faisceau est cruciale. Cependant, en raison de la faible conductivité thermique des matériaux d'objectif d'objectif traditionnels, il est difficile de dissiper la chaleur en temps opportun et efficace sous une irradiation laser haute puissance, entraînant une déformation ou une fusion de la lentille due à la contrainte thermique, provoquant une dérive de mise au point,, Dégradation des performances optiques et même des dommages irréversibles. Ce problème de dérive thermique affecte non seulement la précision de traitement, mais limite également l'efficacité de la production et la fiabilité de l'équipement. Bien que les dispositifs de refroidissement puissent être utilisés pour atténuer le problème de dissipation de la chaleur, il augmente le volume, le poids et le coût du système et réduit l'intégration et l'applicabilité de l'appareil. Par conséquent, il existe un besoin urgent d'un nouveau type de dispositif optique qui peut supprimer la dérive thermique dans le traitement laser haute puissance tout en conservant des performances optiques élevées et une taille compacte.
En tant que matériau semi-conducteur de troisième génération, le carbure de silicium (SIC) a d'excellentes caractéristiques telles que la bande interdite large, une conductivité thermique élevée, une faible perte dans la bande visible de la quasi-infrarouge et une excellente dureté mécanique. Il montre un grand potentiel dans les dispositifs électroniques haute puissance, les dispositifs à haute température et à haute fréquence, l'optoélectronique et l'optique. Avec plus de 20 ans d'expérience dans la technologie de transformation des micro-nano, le groupe de recherche de Qiu Min a développé une technologie de traitement de nanostructure à grande aspect à grande aspecte de grande région qui est compatible avec la production de masse pour les matériaux 4H-SIC. Sur la base de la large gamme de capacités de traitement de ce processus, l'équipe a conçu un superlens 4H-SIC à grande ampleur en référence aux indicateurs optiques des lentilles d'objectif commercial haute performance. En fin de compte, l'équipe de recherche a réussi à réaliser des dispositifs de super-performants à haute performance qui peuvent fonctionner de manière stable et durable dans des conditions difficiles, répondant aux exigences strictes de l'industrie pour la transmission des dispositifs de mise en foyer dans le traitement laser haute puissance et la promotion du développement des industries connexes.
Points forts de la recherche
Dans cette étude, le groupe de recherche de Qiu Min a conçu et préparé un superlens homogène 4H-SIC, qui a atteint des performances optiques comparables à celles des lentilles d'objectif commercial, et a réussi à réduire l'effet de dérive thermique sous une irradiation laser haute puissance (comme le montre la figure 1) . Le matériau 4H-SIC sélectionné présente les avantages d'un indice de réfraction élevé, de faible perte dans la plage spectrale visible à proche infrarouge, une excellente dureté mécanique, une résistance chimique et une conductivité thermique élevée. Les résultats des tests optiques montrent que les Superlens 4H-SIC ont des performances optiques comparables à celles des lentilles d'objectif commercial. Dans le test d'irradiation laser à grande puissance, le traitement continu à long terme dans des conditions de travail difficiles a été simulé, et les superlens 4H-SIC ont montré des performances stables, tout en se débarrassant de la dépendance à l'égard des systèmes de refroidissement complexes, ouvrant de nouvelles prospects d'application pour la photonique SIC .
Ce superlens 4H-SIC est comparé à une lentille objective commerciale haute performance (mitutoyo 378-822-5), avec une cible de conception de 0. 5 ouverture numérique (NA) et 1 cm focale. Il convient de noter que la largeur d'ouverture des superlens 4H-SIC est de 1,15 cm, ce qui dépasse la taille du faisceau généralement produite par des lasers haute puissance et a une large gamme d'adaptabilité. Afin d'équilibrer la conception et la préparation, l'appareil utilise des nanopillars isotropes comme supercellules (comme le montre la figure 2a), avec une hauteur de h=1 µm, pour fournir une phase dynamique sous la forme de guides d'ondes tronqués. La période entre les supercellules adjacentes est p=0. 6 µm, à laquelle la focalisation limitée par diffraction peut être réalisée. Étant donné que la biréfringence de 4H-SIC provoque une légère différence de phase entre les incidents polarisés X et Y, l'équipe de recherche a optimisé chaque supercell en minimisant le facteur de qualité. Enfin, des supercellules de 8 tailles sont obtenues (figure 2b-d), et chaque supercell sélectionné atteint la modulation de phase cible correspondante à une longueur d'onde de 1. 0 60 µm, tout en ayant une transmittance élevée supérieure à 0,85 et étant insensible à la polarisation.
La préparation des superlens 4H-SIC adopte une série de technologies de traitement des semi-conducteurs telles que la lithographie par faisceau d'électrons, le dépôt physique de vapeur et la gravure du plasma couplé par induction. Les nanopillars à rapport d'aspect élevé entièrement remplis ont été traités sur la surface du substrat de 1,15 × 1,15 cm². Comme le montre la figure 3A-E, la période de structure est de 6 0 0 nm, le facteur de remplissage est de 0,3 à 0,78, et la hauteur de la structure est de 1,009 µm mesurée par microscopie électronique à balayage et microscopie à force atomique. Les résultats de la caractérisation de l'échantillon prouvent l'excellence de la technologie de traitement. Cette méthode de préparation de surface sur la surface de surface à taux élevé à grande surface, à haute précision, peut être appliquée à des dispositifs similaires pour atteindre la production de masse.
Les performances optiques des superlens 4H-SIC ont été testées à l'aide d'un système d'imagerie de microscopie à transmission auto-construit (comme le montre la figure 3F). Le système guide verticalement un laser parallèle avec une longueur d'onde de 1 0} 30 nm aux superlens 4H-SIC et réalise l'imagerie CCD via un système de microscope coaxial. Un test de balayage a été effectué dans la plage de ± 35 µm sur le plan focal, et l'imagerie du plan focal et du champ focal a été obtenue (comme le montre la figure 3G-H). L'analyse des données montre que le domaine focal à une distance focale de 1 cm présente une distribution gaussienne lisse. La distribution de l'intensité lumineuse dans le test du plan focal a montré d'excellentes performances de mise au point (figure 3I-J), et la pleine largeur de la moitié de la hauteur de l'orientation était de 2,9 µm. Selon les résultats des tests, l'efficacité de focalisation des superlens 4H-SIC est calculée à 96,31%. Les surfaces d'incident et de sortie des superlens 4H-SIC ont été mesurées à l'aide d'un compteur de puissance optique, et la transmittance de l'appareil a été mesurée à 0,71. Sur la base de ces résultats des tests optiques, les Superlens 4H-SIC présentent des indicateurs optiques comparables aux lentilles d'objectif commercial et peuvent obtenir les mêmes capacités de traitement dans les systèmes de traitement laser.
Afin de simuler les conditions de traitement continu durces durables dans le traitement au laser, le même chemin optique que le test optique a été utilisé dans le test de dérive thermique, mais la source lumineuse a été remplacée par un 15 W 1 0 30 nm laser. Les modifications de la température du dispositif, du plan focal et de l'effet de coupe des superlens 4H-SIC et de l'objectif commercial ont été testés pour 1 heure de fonctionnement continu. Les modifications de la température de surface du dispositif mesurées par un imageur thermique infrarouge sont représentées sur la figure 4A-B. Après 60 minutes d'irradiation laser haute puissance, la température du dispositif des superlens 4H-SIC n'a augmenté que de 3,2 degrés, et le changement de température n'était que de 6% de l'objectif (augmentation de la température de 54,0 degrés). Par rapport aux lentilles d'objectif traditionnelles, les superlens 4H-SIC peuvent atteindre une température stable après avoir fonctionné pendant environ 10 minutes sans composants de refroidissement supplémentaires, et le changement de température est plus petit et la température de fonctionnement est plus faible. Cette excellente performance de gestion thermique démontre l'efficacité des superlens 4H-SIC dans des conditions de travail sévères.
Afin de refléter les changements dans les performances optiques de l'appareil, le CCD a été utilisé pour enregistrer le décalage du plan focal de l'appareil en 1 heure (comme le montre la figure 4C-D). Les résultats des tests montrent que l'objectif des Superlens 4H-SIC n'a pas de décalage évident, tandis que l'objectif de l'objectif commercial a un décalage évident après 30 minutes, et finalement le CCD ne peut pas être imaginé en raison d'un décalage excessif. Les coordonnées à demi-hauteur de la pleine largeur et du centre de l'accent sont obtenues par traitement d'image, et les coordonnées de mise au point sont comparées à la position initiale pour obtenir les données de déplacement dans le plan. Après 1 heure d'irradiation laser à haute puissance continue, la plate-forme de l'axe Z est remontée à la distance de déplacement du plan focal pour obtenir le décalage de l'appareil le long de l'axe optique. Le décalage du plan focal de l'objectif commercial est de 213 µm, tandis que le décalage du plan focal des superlens 4H-SIC n'est que de 13 µm, indiquant qu'il a une excellente stabilité optique et cohérence pendant l'irradiation laser à haute puissance continue.
L'expérience de coupe laser a été réalisée en utilisant le même chemin optique pour comparer l'influence de la dérive thermique sur l'effet de traitement pendant le processus de coupe laser réel. L'expérience a sélectionné des plaquettes 4H-SIC, qui sont extrêmement difficiles à traiter, comme matériau coupé. Le chemin optique de coupe a été calibré par test de balayage de pas. Après l'étalonnage, la coupe a été effectuée le long de la direction X toutes les 10 minutes, et les changements de l'effet de coupe en 1 heure ont été enregistrés. La morphologie de coupe de la section transversale de la tranche coupée a été caractérisée par un microscope optique (comme le montre la figure 4E-F). Les résultats ont montré que les performances de coupe laser des superlens 4H-SIC sont restées stables après 60 minutes de fonctionnement, tandis que l'objectif de l'objectif commercial s'est considérablement déplacé vers l'intérieur du substrat après 30 minutes. L'analyse des données a révélé que le changement de la profondeur de coupe des superlens 4H-SIC après 1 heure de fonctionnement n'était que de 11,4% de celui de l'objectif commercial. Les résultats expérimentaux ont vérifié le test du décalage du plan focal et reflétaient la stabilité du dispositif supérieur des superlens 4H-SIC dans les applications industrielles réelles.
Résumé et perspective
Cette étude a proposé un superlens 4H-SIC qui peut atténuer le problème de dérive thermique dans le traitement laser haute puissance. Les résultats expérimentaux montrent que les superlens 4H-SIC atteignent une excellente stabilité thermique et des performances optiques en raison de son excellente conductivité thermique. Les Superlens benchaient les indicateurs optiques des lentilles d'objectif commercial à haute performance, et sur la base des supercellules en nanocolumn, il réalise une mise au point efficace qui est insensible à la polarisation. Le problème de préparation des superlens à grande hauteur 4H-SIC a été résolu avec succès par la technologie de traitement des semi-conducteurs compatibles avec la production de masse. Les expériences montrent que les superlens atteignent une focalisation limitée par diffraction à la longueur focale conçue et présente une excellente stabilité sous une irradiation laser à haute puissance continue, avec un changement de mise au point extrêmement petit, qui est bien meilleur que les lentilles objectives commerciales. Dans les applications de coupe laser, la morphologie de coupe utilisant ces superlens change peu. Ces résultats mettent en évidence les performances supérieures des superlens 4H-SIC par rapport aux lentilles d'objectif traditionnelles, qui nécessitent généralement des systèmes de refroidissement complexes pour atteindre des niveaux de stabilité similaires. Dans l'attente, avec d'autres recherches et optimisation, les Superlens 4H-SIC devraient être largement utilisés dans les systèmes laser de haute puissance et favoriser le développement de domaines connexes. Avec sa conception compacte et ses excellentes performances optiques et thermiques, cette nouvelle génération de dispositifs de métasurface peut être appliquée à des domaines tels que la réalité augmentée, le traitement aérospatial et laser, résolvant efficacement les problèmes de gestion thermique clés dans l'industrie actuelle.
Chen Boyu et Sun Xiaoyu, étudiants doctoraux conjoints de l'Université Zhejiang et de l'Université West Lake, sont les co-prises auteurs, et le professeur Qiu Min de l'Université West Lake, chercheur associé Pan Meiyan of Ji Hua Laboratory, Dr Du Kaikai de Mude Micro-- Nano (Hangzhou) Technology Co., Ltd., et le chercheur Zhao Ding de West Lake University Institute of Optoelectronics sont les auteurs de co-correspondants de l'article. Le travail de recherche a été soutenu par la National Natural Science Foundation of China et le Guangdong Provincial Basic and Applied Basic Research Fund, et a également été fortement soutenu par le Future Industry Research Center et la plate-forme avancée de traitement et de test de micro-nano de l'Université West Lake.
