Baru-baru ini, kelompok penelitian QIU Min di Pusat Penelitian Industri Masa Depan dan Sekolah Teknik di Westlake University berhasil mengembangkan jenis baru perangkat fotonik silikon karbida yang secara efektif dapat mengurangi masalah penyimpangan termal dalam pemrosesan laser daya tinggi. Tim menggunakan teknologi semikonduktor untuk menyiapkan superlens 4H-SIC presisi tinggi, yang dibandingkan dengan lensa obyektif komersial berkinerja tinggi, dan mencapai fokus terbatas difraksi. Setelah iradiasi laser daya tinggi jangka panjang, kinerja perangkat tetap stabil dan hampir tidak terpengaruh oleh penyerapan panas. Prestasi ini merupakan terobosan besar dalam sistem laser daya tinggi dan membuka cakrawala baru untuk aplikasi dan peningkatan efisiensi mereka. Hasil penelitian yang relevan diterbitkan dalam jurnal internasional Lanjutan Bahan -Bahan dengan judul "4H -SIC Metalens: mengurangi efek drift termal dalam iradiasi laser berdaya tinggi".
Latar Belakang Penelitian
Dalam pemrosesan laser, pemfokusan balok yang akurat sangat penting. Namun, karena rendahnya konduktivitas termal dari bahan lensa objektif tradisional, sulit untuk menghilangkan panas secara tepat waktu dan efektif di bawah iradiasi laser berdaya tinggi, yang mengakibatkan deformasi atau pencairan lensa karena tekanan termal, menyebabkan penyimpangan fokus, Degradasi kinerja optik, dan bahkan kerusakan yang tidak dapat diubah. Masalah drift termal ini tidak hanya mempengaruhi akurasi pemrosesan, tetapi juga membatasi efisiensi produksi dan keandalan peralatan. Meskipun perangkat pendingin dapat digunakan untuk mengurangi masalah disipasi panas, ini meningkatkan volume, berat dan biaya sistem, dan mengurangi integrasi dan penerapan perangkat. Oleh karena itu, ada kebutuhan mendesak untuk jenis perangkat optik baru yang dapat menekan penyimpangan termal dalam pemrosesan laser daya tinggi sambil mempertahankan kinerja optik tinggi dan ukuran kompak.
Sebagai bahan semikonduktor generasi ketiga, silikon karbida (SIC) memiliki karakteristik yang sangat baik seperti celah pita lebar, konduktivitas termal tinggi, kehilangan rendah pada pita inframerah yang terlihat dekat, dan kekerasan mekanis yang sangat baik. Ini menunjukkan potensi besar pada perangkat elektronik berdaya tinggi, perangkat suhu tinggi dan frekuensi tinggi, optoelektronik dan optik. Dengan lebih dari 20 tahun pengalaman dalam teknologi pemrosesan mikro-nano, kelompok penelitian Qiu Min telah mengembangkan teknologi pemrosesan nanostruktur rasio-rasio tinggi yang besar yang kompatibel dengan produksi massal untuk bahan 4H-SIC. Berdasarkan berbagai kemampuan pemrosesan dari proses ini, tim merancang superlens 4H-SIC yang besar dengan mengacu pada indikator optik lensa objektif komersial berkinerja tinggi. Pada akhirnya, tim peneliti berhasil mencapai perangkat superlens berkinerja tinggi yang dapat bekerja secara stabil dan tahan lama dalam kondisi yang keras, memenuhi persyaratan ketat industri untuk perangkat pemfokusan transmisi dalam pemrosesan laser daya tinggi dan mempromosikan pengembangan industri terkait.
Sorotan penelitian
Dalam penelitian ini, kelompok penelitian Qiu Min merancang dan menyiapkan superlens 4H-SIC yang homogen, yang mencapai kinerja optik yang sebanding dengan lensa objektif komersial, dan berhasil mengurangi efek penyimpangan termal di bawah iradiasi laser daya tinggi (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1) . Bahan 4H-SIC yang dipilih memiliki keunggulan indeks bias tinggi, kehilangan rendah pada rentang spektral yang terlihat pada inframerah dekat, kekerasan mekanik yang sangat baik, resistensi kimia, dan konduktivitas termal yang tinggi. Hasil uji optik menunjukkan bahwa superlens 4H-SIC memiliki kinerja optik yang sebanding dengan lensa objektif komersial. Dalam uji iradiasi laser daya tinggi, pemrosesan terus menerus jangka panjang di bawah kondisi kerja yang keras disimulasikan, dan superlens 4H-SIC menunjukkan kinerja yang stabil, sambil menghilangkan ketergantungan pada sistem pendingin yang kompleks, membuka prospek aplikasi baru untuk SiC Photonics .
Superlens 4H-SIC ini dibandingkan dengan lensa objektif komersial berkinerja tinggi (mitutoyo 378-822-5), dengan target desain 0. 5 aperture numerik (NA) dan panjang fokus 1 cm. Perlu dicatat bahwa lebar aperture dari superlens 4H-SIC adalah 1,15 cm, yang melebihi ukuran balok yang biasanya diproduksi oleh laser daya tinggi dan memiliki berbagai kemampuan beradaptasi. Untuk menyeimbangkan desain dan persiapan, perangkat menggunakan nanopillar isotropik sebagai supercell (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2A), dengan ketinggian h=1 µm, untuk memberikan fase dinamis dalam bentuk pandu gelombang terpotong. Periode antara supercell yang berdekatan adalah p=0. 6 μm, di mana fokus terbatas difraksi dapat dicapai. Karena birefringence 4H-SIC menyebabkan sedikit perbedaan fase antara insiden terpolarisasi X dan Y, tim peneliti mengoptimalkan setiap supercell dengan meminimalkan faktor kualitas. Akhirnya, supercell dari 8 ukuran diperoleh (Gambar 2B-D), dan masing-masing Supercell yang dipilih mencapai modulasi fase target yang sesuai pada panjang gelombang 1. {{26} 60 μm, sementara memiliki transmisi tinggi lebih besar dari 0,85 dan menjadi tidak sensitif 60 ke polarisasi.
Persiapan superlens 4H-SIC mengadopsi serangkaian teknologi pemrosesan semikonduktor seperti litografi balok elektron, deposisi uap fisik dan etsa plasma yang digabungkan secara induktif. Nanopillar rasio aspek tinggi yang sepenuhnya diisi diproses pada permukaan substrat 1,15 × 1,15 cm². Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3A-E, periode struktur adalah 6 0 0 nm, faktor pengisian adalah 0,3 hingga 0,78, dan tinggi struktur adalah 1,009 μm diukur dengan memindai mikroskop elektron dan mikroskop gaya atom. Hasil karakterisasi sampel membuktikan keunggulan teknologi pemrosesan. Metode persiapan supersurface rasio besar, presisi tinggi, dan tinggi ini dapat diterapkan pada perangkat serupa untuk mencapai produksi massal.
Kinerja optik superlens 4H-SIC diuji menggunakan sistem pencitraan mikroskop transmisi sendiri (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3F). Sistem ini secara vertikal memandu laser paralel dengan panjang gelombang 1 0 30 nm ke superlens 4H-SIC dan mewujudkan pencitraan CCD melalui sistem mikroskop koaksial. Tes pemindaian langkah dilakukan dalam kisaran ± 35 μm pada bidang fokus, dan pencitraan bidang fokus dan bidang fokus diperoleh (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3G-H). Analisis data menunjukkan bahwa bidang fokus pada panjang fokus 1 cm menyajikan distribusi Gaussian yang halus. Distribusi intensitas cahaya dalam uji bidang fokus menunjukkan kinerja fokus yang sangat baik (Gambar 3I-J), dan lebar penuh fokus setengah tinggi adalah 2,9 μm. Menurut hasil tes, efisiensi fokus superlens 4H-SIC dihitung menjadi 96,31%. Permukaan insiden dan keluar dari superlens 4H-SIC diukur menggunakan meter daya optik, dan transmitansi perangkat diukur menjadi 0,71. Berdasarkan hasil uji optik ini, superlens 4H-SIC menunjukkan indikator optik yang sebanding dengan lensa objektif komersial, dan dapat mencapai kemampuan pemrosesan yang sama dalam sistem pemrosesan laser.
Untuk mensimulasikan kondisi pemrosesan kontinu daya tinggi yang keras dalam pemrosesan laser, jalur optik yang sama dengan uji optik digunakan dalam uji drift termal, tetapi sumber cahaya diganti dengan 15 W 1 {{16} 30 nm laser. Perubahan suhu perangkat, bidang fokus, dan efek pemotongan superlens 4H-SIC dan lensa objektif komersial diuji selama 1 jam operasi kontinu. Perubahan suhu permukaan perangkat yang diukur oleh imajer termal inframerah ditunjukkan pada Gambar 4A-B. Setelah 60 menit iradiasi laser daya tinggi, suhu perangkat superlens 4H-SIC hanya naik 3,2 derajat, dan perubahan suhu hanya 6% dari lensa objektif (kenaikan suhu 54,0 derajat). Dibandingkan dengan lensa objektif tradisional, superlens 4H-SIC dapat mencapai suhu yang stabil setelah berjalan selama sekitar 10 menit tanpa komponen pendinginan tambahan, dan perubahan suhu lebih kecil dan suhu operasi lebih rendah. Kinerja manajemen termal yang sangat baik ini menunjukkan efektivitas superlens 4H-SIC dalam kondisi kerja yang keras.
Untuk mencerminkan perubahan dalam kinerja optik perangkat, CCD digunakan untuk merekam offset bidang fokus perangkat dalam waktu 1 jam (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4C-D). Hasil tes menunjukkan bahwa fokus superlens 4H-SIC tidak memiliki offset yang jelas, sementara fokus lensa objektif komersial memiliki offset yang jelas setelah 30 menit, dan akhirnya CCD tidak dapat dicitrakan karena offset yang berlebihan. Lebar penuh setengah tinggi dan koordinat tengah dari fokus diperoleh dengan pemrosesan gambar, dan koordinat fokus dibandingkan dengan posisi awal untuk mendapatkan data perpindahan dalam pesawat. Setelah 1 jam iradiasi laser daya tinggi kontinu, platform sumbu-z dipindahkan kembali ke jarak perpindahan bidang fokus untuk mendapatkan offset perangkat di sepanjang sumbu optik. Offset bidang fokus dari lensa objektif komersial adalah 213 μm, sedangkan offset bidang fokus dari superlens 4H-SIC hanya 13 μm, menunjukkan bahwa ia memiliki stabilitas optik dan konsistensi yang sangat baik selama iradiasi laser berdaya tinggi terus menerus.
Eksperimen pemotongan laser dilakukan dengan menggunakan jalur optik yang sama untuk membandingkan pengaruh penyimpangan termal pada efek pemrosesan selama proses pemotongan laser yang sebenarnya. Eksperimen memilih wafer 4H-SIC, yang sangat sulit diproses, sebagai bahan potong. Jalur optik pemotongan dikalibrasi dengan uji pemindaian langkah. Setelah kalibrasi, pemotongan dilakukan di sepanjang arah X setiap 10 menit, dan perubahan efek pemotongan dalam waktu 1 jam dicatat. Morfologi pemotongan penampang wafer cut ditandai oleh mikroskop optik (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4E-F). Hasil penelitian menunjukkan bahwa kinerja pemotongan laser dari superlens 4H-SIC tetap stabil setelah 60 menit operasi, sementara fokus lensa objektif komersial bergeser secara signifikan ke bagian dalam substrat setelah 30 menit. Analisis data menemukan bahwa perubahan kedalaman pemotongan superlens 4H-SIC setelah 1 jam operasi hanya 11,4% dari lensa objektif komersial. Hasil eksperimen memverifikasi uji offset bidang fokus dan mencerminkan stabilitas perangkat superior superlens 4H-SIC dalam aplikasi industri aktual.
Ringkasan dan Outlook
Studi ini mengusulkan superlens 4H-SIC yang dapat mengurangi masalah penyimpangan termal dalam pemrosesan laser daya tinggi. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa superlens 4H-SIC mencapai stabilitas termal yang sangat baik dan kinerja optik karena konduktivitas termal yang sangat baik. Superlens membandingkan indikator optik lensa objektif komersial berkinerja tinggi, dan berdasarkan supercell nanocolumn, ia mencapai fokus yang efisien yang tidak sensitif terhadap polarisasi. Masalah persiapan superlens 4H-SIC yang besar berhasil diselesaikan melalui teknologi pemrosesan semikonduktor yang kompatibel dengan produksi massal. Eksperimen menunjukkan bahwa superlens mencapai fokus terbatas difraksi pada panjang fokus yang dirancang dan menunjukkan stabilitas yang sangat baik di bawah iradiasi laser daya tinggi yang berkelanjutan, dengan pergeseran fokus yang sangat kecil, yang jauh lebih baik daripada lensa objektif komersial. Dalam aplikasi pemotongan laser, morfologi pemotongan menggunakan superlens ini berubah sedikit. Hasil ini menyoroti kinerja superior superlens 4H-SIC dibandingkan dengan lensa objektif tradisional, yang biasanya membutuhkan sistem pendingin yang kompleks untuk mencapai tingkat stabilitas yang sama. Ke depan, dengan penelitian dan optimasi lebih lanjut, superlens 4H-SIC diharapkan akan banyak digunakan dalam sistem laser daya tinggi dan mempromosikan pengembangan bidang terkait. Dengan desainnya yang ringkas dan kinerja optik dan termal yang sangat baik, generasi baru perangkat metasurface ini dapat diterapkan pada bidang seperti augmented reality, aerospace dan pemrosesan laser, secara efektif menyelesaikan masalah manajemen termal utama dalam industri saat ini.
Chen Boyu dan Sun Xiaoyu, mahasiswa doktoral bersama Universitas Zhejiang dan Universitas Danau Barat, adalah penulis pertama, dan Profesor Qiu Min dari Universitas Danau Barat, peneliti rekan Pan Meiyan dari Laboratorium Ji Hua, Dr. Du Kaikai dari Mude Micro- Nano (Hangzhou) Technology Co., Ltd., dan Peneliti Zhao Ding dari West Lake University Institute of Optoelectronics adalah penulis yang berkoresponden dari makalah ini. Pekerjaan penelitian ini didukung oleh National Science Science Foundation of China dan Dana Penelitian Dasar Dasar dan Terapan Provinsi Guangdong, dan juga sangat didukung oleh Pusat Penelitian Industri di masa depan dan platform pemrosesan dan pengujian mikro-nano canggih di West Lake University.
