最近、Future Industry Research CenterのQiu Minの研究グループとWestlake Universityの工学部は、高出力レーザー処理における熱漂流の問題を効果的に軽減できる新しいタイプの炭化物フォトニックデバイスを成功裏に開発しました。チームは、半導体テクノロジーを使用して、高性能の商業目的レンズに対してベンチマークされ、回折制限焦点を達成し、大規模な高精度4H-SICスーパーレンを準備しました。長期の高出力レーザー照射の後、デバイスの性能は安定したままであり、熱吸収の影響をほとんど受けません。この成果は、高出力レーザーシステムの主要なブレークスルーを表し、アプリケーションと効率の改善のために新しい視野を開きます。関連する研究結果は、「4H -SIC Metalens：高出力レーザー照射における熱ドリフト効果の緩和」というタイトルで、国際ジャーナルAdvanced資料に掲載されました。
研究の背景
レーザー処理では、正確なビームフォーカスが重要です。ただし、従来の対物レンズ材料の熱伝導率が低いため、高電力レーザー照射の下でタイムリーかつ効果的な方法で熱を消散させることは困難であり、熱応力によるレンズの変形または融解をもたらし、焦点ドリフトを引き起こします。光学性能の劣化、さらには不可逆的な損傷さえ。この熱ドリフトの問題は、処理の精度に影響するだけでなく、生産効率と機器の信頼性も制限します。冷却装置を使用して熱散逸の問題を軽減することができますが、システムの体積、重量、コストを増加させ、デバイスの統合と適用性を低減します。したがって、高い光学性能とコンパクトサイズを維持しながら、高出力レーザー処理の熱ドリフトを抑制できる新しいタイプの光学デバイスが緊急に必要です。
第3世代の半導体材料として、炭化シリコン（SIC）は、広いバンドギャップ、高い熱伝導率、目に見える近赤外帯の低損失、優れた機械的硬度などの優れた特性を持っています。これは、高出力の電子デバイス、高温および高頻度のデバイス、OptoelectronicsおよびOpticsで大きな可能性を示しています。 Qiu Minの研究グループは、マイクロナノ処理技術の20年以上の経験を積んでおり、4H-SIC材料の大量生産と互換性のある大規模で高アスペクト比ナノ構造処理技術を開発しました。このプロセスの幅広い処理機能に基づいて、チームは、高性能の商用対物レンズの光学指標を参照して、大規模な4H-SICスーパーレンズを設計しました。最終的に、研究チームは、過酷な条件下で安定して耐久性がある高性能スーパーレンズデバイスを成功裏に達成し、高出力レーザー処理に焦点を当て、関連産業の開発を促進するための伝送焦点障害に関する業界の厳格な要件を満たしました。
研究のハイライト
この研究では、Qiu Minの研究グループが均質な4H-SIC Superlensを設計および準備し、市販の目的レンズの光学性能に匹敵する光学性能を達成し、高出力レーザー照射下での熱ドリフト効果をうまく減らしました（図1に示すように） 。選択された4H-SIC材料には、高い屈折指数、目に見える近赤外スペクトル範囲の低損失、優れた機械的硬度、耐薬品性、および高い熱伝導率の利点があります。光学試験結果は、4H-SICスーパーレンズが商業目的レンズの光学性に匹敵する光学性能を示していることを示しています。高出力レーザー照射テストでは、過酷な労働条件下での長期連続処理がシミュレートされ、4H-SICスーパーレンズは安定したパフォーマンスを示し、複雑な冷却システムへの依存を取り除き、SICフォトニクスの新しいアプリケーションの見通しを開きます。
この4H-SICスーパーレンズは、0}。5数値開口（NA）および1 cmの焦点距離の設計ターゲットを備えた、高性能の商業目的レンズ（Mitutoyo 378-822-5）に対してベンチマークされています。 4H-SICスーパーレンズの開口幅は1.15 cmであり、これは通常、高出力レーザーによって生成されるビームサイズを超えており、幅広い適応性を備えていることに注意してください。設計と準備のバランスをとるために、デバイスは等方性ナノピラーをスーパーセルとして使用し（図2aに示すように）、h=1 µmの高さを使用して、切り捨てられた導波路の形で動的位相を提供します。隣接するスーパーセル間の期間はp {= 0。6µmで、回折制限焦点を達成できます。 4H-SICの複屈折により、X偏光とY偏光のインシデントの間にわずかな位相差が生じるため、研究チームは品質係数を最小化することで各スーパーセルを最適化しました。最後に、8サイズのスーパーセルが取得され（図2B-D）、選択された各スーパーセルは、1。0 60 µmの波長で対応するターゲット位相変調を達成しますが、0.85を超えて高透過率を持ち、非敏感であること偏光に。
4H-SICスーパーレンズの準備は、電子ビームリソグラフィ、物理的蒸気堆積、誘導結合プラズマエッチングなどの一連の半導体処理技術を採用しています。完全に満たされた高アスペクト比ナノピラーは、1.15×1.15cm²の基質表面で処理されました。図3A-Eに示すように、構造期間は6 0 0 nmで、充填係数は0.3〜0.78、構造の高さは走査型電子顕微鏡と原子力顕微鏡で測定されます。サンプルの特性評価は、処理技術の卓越性を証明します。この大規模なエリア、高精度、高アスペクト比スーパーサーフェース準備方法を同様のデバイスに適用して、大量生産を実現できます。
4H-SICスーパーレンズの光学性能は、自己構築された伝送顕微鏡イメージングシステムを使用してテストされました（図3Fに示すように）。システムは、波長が1 0 30 nmの4H-SICスーパーレンズの平行レーザーを垂直に導き、同軸顕微鏡システムを介してCCDイメージングを実現します。ステップスキャンテストは、焦点面で±35 µmの範囲内で実行され、焦点面と焦点場のイメージングが得られました（図3G-Hに示すように）。データ分析によると、1 cmの焦点距離の焦点分野が滑らかなガウス分布を示していることが示されています。焦点面試験での光強度分布は、優れた焦点パフォーマンスを示し（図3I-J）、焦点の半分の全幅は2.9 µmでした。テスト結果によると、4H-SICスーパーレンズの焦点効率は96.31％と計算されています。 4H-SICスーパーレンズの入射面と出口表面は、光電力計を使用して測定され、デバイスの透過率は0.71と測定されました。これらの光学試験結果に基づいて、4H-SICスーパーレンズは、市販の目的レンズに匹敵する光学指標を示し、レーザー処理システムで同じ処理機能を達成できます。
レーザー処理における過酷な高出力連続処理条件をシミュレートするために、熱ドリフトテストで光学試験と同じ光学パスが使用されましたが、光源は15 W 1 0 30 nmに置き換えられました。レーザ。デバイス温度、焦点面、および4H-SICスーパーレンズの削減効果と市販の目的レンズの変化は、1時間の連続動作でテストされました。赤外線熱イメージャーによって測定されたデバイス表面温度の変化を図4a-Bに示します。 60分間の高出力レーザー照射の後、4H-SICスーパーレンズのデバイス温度は3.2度しか上昇し、温度変化は目的レンズの6％しかありませんでした（温度上昇は54.0度）。従来の対物レンズと比較して、4H-SICスーパーレンズは、追加の冷却成分なしで約10分間走った後、安定した温度に達することができ、温度の変化は小さく、動作温度が低くなります。この優れた熱管理パフォーマンスは、過酷な労働条件下での4H-SICスーパーレンズの有効性を示しています。
デバイスの光学性能の変化を反映するために、CCDを使用して、1時間以内にデバイスの焦点面オフセットを記録しました（図4C-Dに示すように）。テスト結果は、4H-SICスーパーレンズの焦点には明らかなオフセットがないことを示していますが、商業目的レンズの焦点は30分後に明らかなオフセットを持ち、最後にCCDを過度のオフセットのために画像化できません。フォーカスの半分の全幅と中心座標は、画像処理によって取得され、フォーカス座標は初期位置と比較され、面内変位データが得られます。 1時間の連続高出力レーザー照射の後、Z軸プラットフォームは焦点面の変位距離に戻り、光軸に沿ったデバイスのオフセットを取得します。市販の目的レンズの焦点面オフセットは213 µmですが、4H-SICスーパーレンズの焦点面オフセットはわずか13 µmであり、連続高出力レーザー照射中の優れた光学的安定性と一貫性があることを示しています。
レーザー切断実験は、同じ光学経路を使用して実行され、実際のレーザー切断プロセス中の加工効果に対する熱ドリフトの影響を比較しました。この実験では、4H-SICウェーハを選択しましたが、これはカット材料として処理が非常に困難です。切断光学パスは、ステップスキャンテストによって校正されました。キャリブレーション後、10分ごとにX方向に沿って切断を行い、1時間以内の切断効果の変化を記録しました。カットウェーハの断面の切断形態は、光学顕微鏡によって特徴付けられました（図4E-Fに示すように）。結果は、4H-SICスーパーレンズのレーザー切断性能が60分間の動作後も安定したままであり、商業目標レンズの焦点は30分後に基質の内側に大きくシフトしたことを示しました。データ分析では、1時間の操作後の4H-SICスーパーレンズの切断深度の変化は、商業目標レンズの11.4％のみであることがわかりました。実験結果は、焦点面オフセットのテストを検証し、実際の産業用途における4H-SICスーパーレンズの優れたデバイスの安定性を反映しています。
概要と見通し
この研究では、高出力レーザー処理におけるサーマルドリフトの問題を軽減できる4H-SICスーパーレンズを提案しました。実験結果は、4H-SICスーパーレンズが、優れた熱伝導率のために優れた熱安定性と光学性能を達成することを示しています。スーパーレンズは、高性能の市販の目的レンズの光学指標をベンチマークし、ナノコラムスーパーセルに基づいて、偏光に鈍感な効率的な焦点を達成します。大規模な紙4H-SICスーパーレンズの準備問題は、大量生産と互換性のある半導体処理技術を通じて正常に解決されました。実験では、スーパーレンズが設計された焦点距離で回折制限焦点を達成し、継続的な高出力レーザー照射下で優れた安定性を示すことを示しています。レーザー切断アプリケーションでは、このスーパーレンズを使用した切断形態はほとんど変わりません。これらの結果は、従来の対物レンズと比較して4H-SICスーパーレンの優れた性能を強調しています。これは、通常、同様のレベルの安定性を達成するために複雑な冷却システムを必要とします。さらに、さらなる研究と最適化により、4H-SICスーパーレンズは、高出力レーザーシステムで広く使用され、関連分野の開発を促進することが期待されています。コンパクトな設計と優れた光学的および熱性能により、この新世代のメタサーフェスデバイスは、拡張現実、航空宇宙、レーザー処理などのフィールドに適用でき、現在の業界の主要な熱管理の問題を効果的に解決できます。
Zhijiang UniversityとWest Lake Universityの共同博士課程の学生であるChen BoyuとSun Xiaoyuは、共同著者であり、West Lake UniversityのQiu Min教授であり、Ji Hua LaboratoryのパンMeiyan副研究者、Du KaikaiのDu Kaikai博士のPan Meiyanは、Micro-Micro-du Kaikai博士です。 Nano（Hangzhou）Technology Co.、Ltd。、およびWest Lake University Institute of Optoelectronicsの研究者Zhao Dingは、この論文の共同著者です。この研究作業は、中国国立自然科学財団と広東省基本および応用基礎研究基金によって支援され、将来の産業研究センターとウェストレイク大学の高度なマイクロナノ処理およびテストプラットフォームによっても強くサポートされていました。
