مشکلات رانش حرارتی در پردازش لیزر با توان بالا

به تازگی ، گروه تحقیقاتی Qiu Min در مرکز تحقیقات صنعت آینده و دانشکده مهندسی در دانشگاه Westlake با موفقیت نوع جدیدی از دستگاه فوتونیک کاربید سیلیکون را ایجاد کردند که می تواند به طور مؤثر مشکل رانش حرارتی را در پردازش لیزر با قدرت بالا کاهش دهد. این تیم از فناوری نیمه هادی برای تهیه یک سوپر لن های با دقت و با دقت بالا 4H-SIC ، معیار در برابر لنزهای هدف تجاری با کارایی بالا استفاده کرده و تمرکز محدود به پراش را به دست آورد. پس از تابش لیزر با قدرت طولانی مدت ، عملکرد دستگاه پایدار است و تقریباً از جذب گرما بی تأثیر است. این دستاورد نشان دهنده دستیابی به موفقیت بزرگ در سیستم های لیزر با قدرت بالا است و افق های جدیدی را برای کاربرد و بهبود کارآیی آنها باز می کند. نتایج تحقیق مربوطه در ژورنال بین المللی Advanced Material با عنوان "4H -SIC Metalens: کاهش اثر رانش حرارتی در تابش لیزر با قدرت بالا" منتشر شد.

پیش زمینه
در پردازش لیزر ، تمرکز دقیق پرتو بسیار مهم است. با این حال ، به دلیل هدایت حرارتی کم مواد لنز عینی سنتی ، از بین بردن گرما به موقع و مؤثر تحت تابش لیزر با قدرت بالا دشوار است ، و در نتیجه تغییر شکل یا ذوب لنز به دلیل استرس حرارتی ، باعث افزایش تمرکز می شود ، تخریب عملکرد نوری و حتی آسیب های برگشت ناپذیر. این مشکل رانش حرارتی نه تنها بر صحت پردازش تأثیر می گذارد ، بلکه بهره وری تولید و قابلیت اطمینان تجهیزات را نیز محدود می کند. اگرچه می توان از دستگاه های خنک کننده برای کاهش مشکل اتلاف گرما استفاده کرد ، اما حجم ، وزن و هزینه سیستم را افزایش می دهد و ادغام و کاربرد دستگاه را کاهش می دهد. بنابراین ، نیاز فوری به نوع جدیدی از دستگاه نوری وجود دارد که می تواند ضمن حفظ عملکرد نوری بالا و اندازه جمع و جور ، فشار حرارتی را در پردازش لیزر با قدرت بالا سرکوب کند.

به عنوان یک ماده نیمه هادی نسل سوم ، کاربید سیلیکون (SIC) از ویژگی های بسیار خوبی مانند باند گسترده ، هدایت حرارتی بالا ، از بین رفتن کم در باند مادون قرمز قابل مشاهده به مادون قرمز و سختی مکانیکی عالی برخوردار است. این پتانسیل عالی در دستگاه های الکترونیکی با قدرت بالا ، دستگاه های با درجه حرارت بالا و با فرکانس بالا ، نوری و اپتیک را نشان می دهد. با بیش از 20 سال تجربه در فن آوری پردازش میکرو نانو ، گروه تحقیقاتی Qiu Min یک فناوری پردازش نانوساختار نسبت به منطقه بزرگ و با سرعت بالا را ایجاد کرده است که با تولید انبوه برای مواد 4H-SIC سازگار است. بر اساس طیف گسترده ای از قابلیت های پردازش این فرآیند ، این تیم با اشاره به شاخص های نوری لنزهای هدف تجاری با کارایی بالا ، یک سوپراسیون بزرگ 4H-SIC را طراحی کرد. در پایان ، تیم تحقیقاتی با موفقیت به دستگاههای SuperLens با کارایی بالا که می توانند در شرایط سخت پایدار و بادوام کار کنند ، دست یافتند و نیازهای دقیق صنعت را برای انتقال دستگاههای متمرکز در پردازش لیزر با قدرت بالا و ترویج توسعه صنایع مرتبط برآورده کردند.

نکات برجسته تحقیق

در این مطالعه ، گروه تحقیقاتی Qiu Min یک Superlens همگن 4H-SIC را طراحی و تهیه کرده است ، که به عملکرد نوری قابل مقایسه با لنزهای هدف تجاری دست یافته و با موفقیت اثر رانش حرارتی را تحت تابش لیزر با قدرت بالا کاهش می دهد (همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است) بشر ماده 4H-SIC انتخاب شده دارای مزایای ضریب شکست بالا ، از بین رفتن کم در محدوده طیفی قابل مشاهده به مادون قرمز نزدیک ، سختی مکانیکی عالی ، مقاومت شیمیایی و هدایت حرارتی بالا است. نتایج آزمایش نوری نشان می دهد که Superlens 4H-SIC دارای عملکرد نوری قابل مقایسه با لنزهای هدف تجاری است. در آزمون تابش لیزر با قدرت بالا ، پردازش مداوم طولانی مدت در شرایط سخت کار شبیه سازی شد ، و سوپر لن های 4H-SIC عملکرد پایدار را نشان داد ، در حالی که از شر وابستگی به سیستم های خنک کننده پیچیده خلاص می شود ، و باز کردن چشم انداز برنامه های جدید برای فوتونیک SIC بشر

این Superlens 4H-SIC در برابر یک لنز هدف تجاری با کارایی بالا (Mitutoyo {3}}) ، با یک هدف طراحی {4}} 5 دیافراگم عددی (NA) و 1 سانتی متر کانونی قرار دارد. شایان ذکر است که عرض دیافراگم Superlens 4H-SIC 1.15 سانتی متر است که از اندازه پرتو که معمولاً توسط لیزرهای با قدرت بالا تولید می شود ، فراتر می رود و دارای طیف گسترده ای از سازگاری است. به منظور تعادل در طراحی و آماده سازی ، دستگاه از نانوپیلارهای ایزوتروپیک به عنوان سوپر (همانطور که در شکل 2a نشان داده شده است) ، با ارتفاع H {13}} میکرومتر ، برای ارائه فاز پویا به شکل موجبر کوتاه شده استفاده می کند. دوره بین سوپرهای مجاور P {14}} 6 میکرومتر است که در آن می توان تمرکز محدود پراش را بدست آورد. از آنجا که تجاوز 4H-SIC باعث ایجاد اختلاف فاز جزئی بین حوادث X- و Y قطب شده می شود ، تیم تحقیق با به حداقل رساندن فاکتور کیفیت ، هر سوپر را بهینه می کند. سرانجام ، سوپر های 8 اندازه به دست می آیند (شکل 2B-D) ، و هر سوپرکل انتخاب شده به مدولاسیون فاز هدف مربوطه در طول موج 1 می رسد. {26}} 60 میکرومتر ، در حالی که دارای انتقال بالایی بیشتر از 0.85 و بی حس است به قطبش

تهیه سوپلن های 4H-SIC یک سری از فن آوری های پردازش نیمه هادی مانند لیتوگرافی پرتو الکترونی ، رسوب بخار فیزیکی و اچ پلاسما همراه با استقرا. نانوپیلارهای نسبت بالا کاملاً پر از ابعاد بر روی سطح بستر 1.15 × 1.15 سانتی متر مربع پردازش شدند. همانطور که در شکل 3A-E نشان داده شده است ، دوره ساختار 6 {9}} {{11} nm} nm است ، ضریب پر کردن 0.3 تا 0.78 است و ارتفاع ساختار 1.009 میکرومتر است که با میکروسکوپ الکترونی الکترونی و میکروسکوپ نیروی اتمی اندازه گیری می شود. نتایج خصوصیات نمونه ، برتری فناوری پردازش را اثبات می کند. این روش آماده سازی فوق العاده با نسبت بالا و با دقت بالا می تواند برای دستیابی به تولید انبوه در دستگاه های مشابه اعمال شود.

عملکرد نوری Superlens 4H-SIC با استفاده از یک سیستم تصویربرداری میکروسکوپی انتقال خود ساخته شده (همانطور که در شکل 3F نشان داده شده است) مورد آزمایش قرار گرفت. این سیستم به صورت عمودی یک لیزر موازی را با طول موج 1 {23}} 30 نانومتر به سوپلنهای 4H-SIC هدایت می کند و تصویربرداری CCD را از طریق یک سیستم میکروسکوپ کواکسیال درک می کند. یک آزمایش پله ای در محدوده 35 میکرومتر در صفحه کانونی انجام شد و تصویربرداری از صفحه کانونی و میدان کانونی به دست آمد (همانطور که در شکل 3G-H نشان داده شده است). تجزیه و تحلیل داده ها نشان می دهد که میدان کانونی در فاصله کانونی 1 سانتی متر توزیع گاوسی صاف را نشان می دهد. توزیع شدت نور در آزمون هواپیمای کانونی عملکرد تمرکز عالی را نشان داد (شکل 3I-J) ، و عرض کامل نیمه ارتفاع از تمرکز 2.9 میکرومتر بود. با توجه به نتایج آزمون ، راندمان متمرکز از سوپلنهای 4H-SIC 96.31 ٪ محاسبه می شود. سطوح حادثه و خروج از سوپلن های 4H-SIC با استفاده از یک متر نوری اندازه گیری شد و انتقال دستگاه 0.71 اندازه گیری شد. بر اساس این نتایج آزمایش نوری ، Superlens 4H-SIC شاخص های نوری قابل مقایسه با لنزهای هدف تجاری را نشان می دهد و می تواند به همان قابلیت های پردازش در سیستم های پردازش لیزر دست یابد.

به منظور شبیه سازی شرایط پردازش مداوم با قدرت بالا در پردازش لیزر ، همان مسیر نوری که از آزمایش نوری در آزمایش رانش حرارتی استفاده شده است ، اما منبع نور با یک 15 W 1 {16} 30 نانومتر}}} جایگزین شد لیزر تغییرات در دمای دستگاه ، هواپیمای کانونی و اثر برش Superlens 4H-SIC و لنزهای هدف تجاری به مدت 1 ساعت از کار مداوم مورد آزمایش قرار گرفت. تغییرات در دمای سطح دستگاه که توسط یک تصویرگر حرارتی مادون قرمز اندازه گیری می شود در شکل 4A-B نشان داده شده است. پس از 60 دقیقه تابش لیزر با قدرت بالا ، دمای دستگاه سوپرهای 4H-SIC فقط با 3.2 درجه افزایش یافت و تغییر دما تنها 6 ٪ لنزهای هدف (افزایش دما 54.0 درجه) بود. در مقایسه با لنزهای عینی سنتی ، Superlens 4H-SIC می تواند پس از دویدن حدود 10 دقیقه بدون اجزای خنک کننده اضافی به دمای پایدار برسد و تغییر دما کوچکتر و دمای کار پایین تر است. این عملکرد عالی مدیریت حرارتی نشان دهنده اثربخشی فوق العاده های 4H-SIC در شرایط کار سخت است.

به منظور بازتاب تغییرات در عملکرد نوری دستگاه ، از CCD برای ضبط افست کانونی دستگاه در مدت 1 ساعت استفاده شد (همانطور که در شکل 4C-D نشان داده شده است). نتایج آزمون نشان می دهد که تمرکز Superlens 4H-SIC هیچ جبران آشکاری ندارد ، در حالی که تمرکز لنز هدف تجاری پس از 30 دقیقه جبران آشکار است و در نهایت CCD به دلیل جبران بیش از حد نمی تواند تصویربرداری شود. مختصات کامل و مختصات مرکز تمرکز با پردازش تصویر به دست می آید و مختصات فوکوس با موقعیت اولیه برای به دست آوردن داده های جابجایی درون هواپیما مقایسه می شوند. پس از 1 ساعت تابش لیزر با قدرت مداوم ، سکوی محور z به فاصله جابجایی هواپیمای کانونی منتقل می شود تا جبران دستگاه در امتداد محور نوری بدست آید. جبران هواپیمای کانونی لنز هدف تجاری 213 میکرومتر است ، در حالی که جبران هواپیمای کانونی از Superlens 4H-SIC تنها 13 میکرومتر است ، نشان می دهد که در طول تابش لیزر با قدرت بالا ، ثبات نوری عالی و قوام خوبی دارد.

آزمایش برش لیزر با استفاده از همان مسیر نوری برای مقایسه تأثیر رانش حرارتی بر اثر پردازش در طی فرآیند برش لیزر واقعی انجام شد. این آزمایش ویفرهای 4H-SIC را انتخاب کرد ، که پردازش بسیار دشوار است ، به عنوان ماده برش. مسیر نوری برش با تست اسکن مرحله کالیبره شد. پس از کالیبراسیون ، برش هر 10 دقیقه در امتداد جهت X انجام شد و تغییرات در اثر برش ظرف 1 ساعت ثبت شد. مورفولوژی برش سطح مقطع ویفر برش توسط یک میکروسکوپ نوری مشخص شد (همانطور که در شکل 4E-F نشان داده شده است). نتایج نشان داد که عملکرد برش لیزر بعد از 60 دقیقه کار پایدار ماند ، در حالی که تمرکز لنزهای هدف تجاری پس از 30 دقیقه به طور قابل توجهی به سمت داخل بستر تغییر یافت. تجزیه و تحلیل داده ها نشان داد که تغییر در عمق برش فوق العاده 4H-SIC پس از 1 ساعت کار تنها 11.4 ٪ از لنزهای هدف تجاری بوده است. نتایج تجربی آزمایش جبران هواپیمای کانونی را تأیید کرد و منعکس کننده پایداری دستگاه برتر از سوپر های 4H-SIC در کاربردهای واقعی صنعتی بود.

خلاصه و چشم انداز

این مطالعه یک Superlens 4H-SIC را پیشنهاد کرده است که می تواند مشکل رانش حرارتی را در پردازش لیزر با قدرت بالا کاهش دهد. نتایج تجربی نشان می دهد که Superlens 4H-SIC به دلیل هدایت حرارتی عالی ، به ثبات حرارتی عالی و عملکرد نوری می رسد. Superlens نشانگرهای نوری لنزهای هدف تجاری با کارایی بالا ، و بر اساس سوپر های نانولوله ، به تمرکز کارآمد می رسد که نسبت به قطبش غیر حساس است. مشکل آماده سازی Superlens با شتاب بزرگ 4H-SIC با موفقیت از طریق فناوری پردازش نیمه هادی سازگار با تولید انبوه حل شد. آزمایشات نشان می دهد که Superlens به تمرکز محدود پراش در فاصله کانونی طراحی شده و ثبات عالی در زیر تابش لیزر با قدرت مداوم ، با تغییر تمرکز بسیار کوچک ، که بسیار بهتر از لنزهای هدف تجاری است ، نشان می دهد. در برنامه های برش لیزر ، مورفولوژی برش با استفاده از این Superlens کمی تغییر می کند. این نتایج عملکرد برتر Superlens 4H-SIC را در مقایسه با لنزهای عینی سنتی برجسته می کند ، که معمولاً برای دستیابی به سطح مشابهی از ثبات ، به سیستم های خنک کننده پیچیده نیاز دارند. با انتظار ، با تحقیق و بهینه سازی بیشتر ، انتظار می رود که Superlens 4H-SIC به طور گسترده ای در سیستم های لیزر با قدرت بالا مورد استفاده قرار گیرد و توسعه زمینه های مرتبط را ارتقا بخشد. با طراحی جمع و جور و عملکرد عالی نوری و حرارتی ، این نسل جدید از دستگاه های metasurface می تواند در زمینه هایی مانند واقعیت افزوده ، هوافضا و پردازش لیزر استفاده شود و به طور مؤثر مشکلات کلیدی مدیریت حرارتی را در صنعت فعلی حل کند.

چن بویو و سان شیائوو ، دانشجویان دکترا مشترک دانشگاه ژجیانگ و دانشگاه وست لیک ، نویسندگان اول و استاد Qiu Min از دانشگاه West Lake ، محقق پان Meiyan از آزمایشگاه جی هوا ، دکتر Du Kaikai از Mude Micro- شرکت فناوری نانو (Hangzhou) ، آموزشی ویبولیتین ، و محقق ژائو دینگ از انستیتوی Optoelectronics دانشگاه وست لیک ، نویسندگان همبستگی این مقاله هستند. این کار تحقیقاتی توسط بنیاد ملی علوم طبیعی چین و صندوق تحقیقات اساسی استانی و کاربردی گوانگدونگ پشتیبانی شد و همچنین به شدت توسط مرکز تحقیقات صنعت آینده و پلت فرم پیشرفته پردازش و آزمایش میکرو نانو از دانشگاه وست لیک پشتیبانی شد.