उच्च शक्ति लेजर प्रसंस्करण में थर्मल बहाव समस्याएं

हाल ही में, फ्यूचर इंडस्ट्री रिसर्च सेंटर में किउ मिन के रिसर्च ग्रुप और वेस्टलेक यूनिवर्सिटी में स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग ने सफलतापूर्वक एक नए प्रकार के सिलिकॉन कार्बाइड फोटोनिक डिवाइस को विकसित किया जो उच्च-शक्ति लेजर प्रसंस्करण में थर्मल ड्रिफ्ट समस्या को प्रभावी ढंग से कम कर सकता है। टीम ने सेमीकंडक्टर तकनीक का उपयोग एक बड़े-एपर्चर, उच्च-सटीक 4H-SIC सुपरलेंस को तैयार करने के लिए किया, उच्च प्रदर्शन वाले वाणिज्यिक उद्देश्य लेंस के खिलाफ बेंचमार्क किया गया, और विवर्तन-सीमित ध्यान केंद्रित किया। दीर्घकालिक उच्च-शक्ति लेजर विकिरण के बाद, डिवाइस का प्रदर्शन स्थिर रहता है और गर्मी अवशोषण से लगभग अप्रभावित है। यह उपलब्धि उच्च शक्ति वाले लेजर सिस्टम में एक प्रमुख सफलता का प्रतिनिधित्व करती है और उनके आवेदन और दक्षता में सुधार के लिए नए क्षितिज को खोलती है। प्रासंगिक शोध परिणाम अंतर्राष्ट्रीय जर्नल एडवांस्ड मैटेरियल्स में "4H -SIC METALENS: माइटिगेटिंग थर्मल ड्रिफ्ट इफेक्ट इन हाई -पावर लेजर विकिरण" के तहत प्रकाशित किए गए थे।

अनुसंधान बैकग्राउंड
लेजर प्रसंस्करण में, सटीक बीम ध्यान केंद्रित करना महत्वपूर्ण है। हालांकि, पारंपरिक उद्देश्य लेंस सामग्री की कम तापीय चालकता के कारण, उच्च-शक्ति लेजर विकिरण के तहत समय पर और प्रभावी तरीके से गर्मी को भंग करना मुश्किल है, जिसके परिणामस्वरूप थर्मल तनाव के कारण लेंस की विरूपण या पिघलना होता है, जिससे फोकस बहाव होता है, ऑप्टिकल प्रदर्शन का क्षरण, और यहां तक ​​कि अपरिवर्तनीय क्षति। यह थर्मल बहाव समस्या न केवल प्रसंस्करण सटीकता को प्रभावित करती है, बल्कि उत्पादन दक्षता और उपकरण विश्वसनीयता को भी सीमित करती है। यद्यपि शीतलन उपकरणों का उपयोग गर्मी अपव्यय समस्या को कम करने के लिए किया जा सकता है, यह सिस्टम की मात्रा, वजन और लागत को बढ़ाता है, और डिवाइस के एकीकरण और प्रयोज्यता को कम करता है। इसलिए, एक नए प्रकार के ऑप्टिकल डिवाइस के लिए एक तत्काल आवश्यकता है जो उच्च ऑप्टिकल प्रदर्शन और कॉम्पैक्ट आकार को बनाए रखते हुए उच्च-शक्ति लेजर प्रसंस्करण में थर्मल बहाव को दबा सकता है।

तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक सामग्री के रूप में, सिलिकॉन कार्बाइड (एसआईसी) में उत्कृष्ट विशेषताएं हैं जैसे कि विस्तृत बैंडगैप, उच्च तापीय चालकता, निकट-अवरक्त बैंड में दृश्यमान में कम नुकसान, और उत्कृष्ट यांत्रिक कठोरता। यह उच्च-शक्ति वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों, उच्च तापमान और उच्च-आवृत्ति वाले उपकरणों, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक और प्रकाशिकी में काफी क्षमता दिखाता है। माइक्रो-नैनो प्रसंस्करण प्रौद्योगिकी में 20 से अधिक वर्षों के अनुभव के साथ, किउ मिन के अनुसंधान समूह ने एक बड़े-क्षेत्र, उच्च-पहलू-अनुपात नैनोस्ट्रक्चर प्रसंस्करण प्रौद्योगिकी विकसित की है जो 4H-SIC सामग्री के लिए बड़े पैमाने पर उत्पादन के साथ संगत है। इस प्रक्रिया की प्रसंस्करण क्षमताओं की विस्तृत श्रृंखला के आधार पर, टीम ने उच्च-प्रदर्शन वाले वाणिज्यिक उद्देश्य लेंस के ऑप्टिकल संकेतकों के संदर्भ में एक बड़े-एपर्चर 4H-SIC सुपरलेंस को डिज़ाइन किया। अंत में, अनुसंधान टीम ने उच्च प्रदर्शन वाले सुपरलेंस उपकरणों को सफलतापूर्वक हासिल किया जो कठोर परिस्थितियों में कठोर और टिकाऊ काम कर सकते हैं, उच्च-शक्ति लेजर प्रसंस्करण में ट्रांसमिशन फोकसिंग डिवाइसों के लिए उद्योग की सख्त आवश्यकताओं को पूरा कर सकते हैं और संबंधित उद्योगों के विकास को बढ़ावा देते हैं।

अनुसंधान की मुख्य विशेषताएं

इस अध्ययन में, किउ मिन के अनुसंधान समूह ने एक सजातीय 4H-SIC सुपरलेंस को डिज़ाइन और तैयार किया, जिसने वाणिज्यिक उद्देश्य लेंस की तुलना में ऑप्टिकल प्रदर्शन को प्राप्त किया, और उच्च-शक्ति लेजर विकिरण के तहत थर्मल बहाव प्रभाव को सफलतापूर्वक कम कर दिया (जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है) । चयनित 4H-SIC सामग्री में उच्च अपवर्तक सूचकांक के फायदे हैं, निकट-अवरक्त वर्णक्रमीय रेंज, उत्कृष्ट यांत्रिक कठोरता, रासायनिक प्रतिरोध और उच्च तापीय चालकता के लिए दृश्यमान में कम हानि। ऑप्टिकल परीक्षण के परिणाम बताते हैं कि 4H-SIC सुपरलेंस में वाणिज्यिक उद्देश्य लेंस की तुलना में ऑप्टिकल प्रदर्शन होता है। उच्च-शक्ति वाले लेजर विकिरण परीक्षण में, कठोर कामकाजी परिस्थितियों के तहत दीर्घकालिक निरंतर प्रसंस्करण का अनुकरण किया गया था, और 4H-SIC सुपरलेंस ने स्थिर प्रदर्शन दिखाया, जबकि जटिल शीतलन प्रणालियों पर निर्भरता से छुटकारा मिल रहा है, SIC फोटोनिक्स के लिए नई आवेदन संभावनाएं खोलना ।

यह 4H-SIC सुपरलेंस एक उच्च-प्रदर्शन वाणिज्यिक उद्देश्य लेंस (mitutoyo 378-822-5) के खिलाफ 0 के डिजाइन लक्ष्य के साथ बेंचमार्क किया गया है। 5 संख्यात्मक एपर्चर (NA) और 1 सेमी फोकल लंबाई। यह ध्यान देने योग्य है कि 4H-SIC सुपरलेंस की एपर्चर चौड़ाई 1.15 सेमी है, जो आमतौर पर उच्च-शक्ति लेज़रों द्वारा उत्पादित बीम आकार से अधिक है और इसमें अनुकूलन क्षमता की एक विस्तृत श्रृंखला है। डिज़ाइन और तैयारी को संतुलित करने के लिए, डिवाइस सुपरसेल के रूप में आइसोट्रोपिक नैनोपिलर का उपयोग करता है (जैसा कि चित्र 2 ए में दिखाया गया है), एच=1} m की ऊंचाई के साथ, ट्रंक्टेड वेवगाइड्स के रूप में गतिशील चरण प्रदान करने के लिए। आसन्न सुपरसेल के बीच की अवधि p=0 6 μm है, जिस पर विवर्तन-सीमित ध्यान केंद्रित किया जा सकता है। चूंकि 4H-SIC के birefringence X- और y- ध्रुवीकृत घटनाओं के बीच एक मामूली चरण अंतर का कारण बनता है, इसलिए अनुसंधान टीम ने गुणवत्ता कारक को कम करके प्रत्येक सुपरसेल को अनुकूलित किया। अंत में, 8 आकारों के सुपरसेल प्राप्त किए जाते हैं (चित्रा 2 बी-डी), और प्रत्येक चयनित सुपरसेल 1 के तरंग दैर्ध्य पर संबंधित लक्ष्य चरण मॉड्यूलेशन को प्राप्त करता है। {0 60 माइक्रोन, जबकि 0.85 से अधिक उच्च प्रसारण होता है और असंवेदनशील होता है और असंवेदनशील होता है। ध्रुवीकरण के लिए।

4H-SIC सुपरलेंस की तैयारी सेमीकंडक्टर प्रसंस्करण प्रौद्योगिकियों जैसे इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी, भौतिक वाष्प जमाव और इंडिकली युग्मित प्लाज्मा नक़्क़ाशी की एक श्रृंखला को अपनाता है। पूरी तरह से भरे हुए उच्च पहलू अनुपात नैनोपिलर को 1.15 × 1.15 सेमी की सब्सट्रेट सतह पर संसाधित किया गया था। जैसा कि चित्र 3A-E में दिखाया गया है, संरचना की अवधि 6 0 0 nm है, भरने का कारक 0.3 से 0.78 है, और संरचना की ऊंचाई 1.009 माइक्रोन है जो स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी और परमाणु बल माइक्रोस्कोपी द्वारा मापा जाता है। नमूना लक्षण वर्णन परिणाम प्रसंस्करण प्रौद्योगिकी की उत्कृष्टता साबित करते हैं। यह बड़ा क्षेत्र, उच्च-सटीक, उच्च-पहलू अनुपात सुपरसुरफेस तैयारी विधि को बड़े पैमाने पर उत्पादन प्राप्त करने के लिए समान उपकरणों पर लागू किया जा सकता है।

4H-SIC सुपरलेंस के ऑप्टिकल प्रदर्शन का परीक्षण एक स्व-निर्मित ट्रांसमिशन माइक्रोस्कोपी इमेजिंग सिस्टम (जैसा कि चित्र 3F में दिखाया गया है) का उपयोग करके किया गया था। सिस्टम लंबवत रूप से 1 0 के एक तरंग दैर्ध्य के साथ एक समानांतर लेजर का मार्गदर्शन करता है जो 4H-SIC सुपरलेंस के लिए 30 एनएम और एक समाक्षीय माइक्रोस्कोप सिस्टम के माध्यम से CCD इमेजिंग का एहसास करता है। फोकल प्लेन पर ± 35 माइक्रोन की सीमा के भीतर एक स्टेप-स्कैन परीक्षण किया गया था, और फोकल प्लेन और फोकल फील्ड की इमेजिंग प्राप्त की गई थी (जैसा कि चित्र 3 जी-एच में दिखाया गया है)। डेटा विश्लेषण से पता चलता है कि 1 सेमी की फोकल लंबाई पर फोकल फ़ील्ड एक चिकनी गाऊसी वितरण प्रस्तुत करता है। फोकल प्लेन टेस्ट में प्रकाश तीव्रता वितरण ने उत्कृष्ट फोकसिंग प्रदर्शन (चित्रा 3-J) दिखाया, और फोकस की आधी ऊंचाई की पूरी चौड़ाई 2.9 माइक्रोन थी। परीक्षण के परिणामों के अनुसार, 4H-SIC सुपरलेंस की फ़ोकसिंग दक्षता की गणना 96.31%है। 4H-SIC सुपरलेंस की घटना और निकास सतहों को एक ऑप्टिकल पावर मीटर का उपयोग करके मापा गया था, और डिवाइस के संप्रेषण को 0.71 होने के लिए मापा गया था। इन ऑप्टिकल परीक्षण परिणामों के आधार पर, 4H-SIC सुपरलेंस वाणिज्यिक उद्देश्य लेंस की तुलना में ऑप्टिकल संकेतकों को प्रदर्शित करता है, और लेजर प्रसंस्करण प्रणालियों में समान प्रसंस्करण क्षमताओं को प्राप्त कर सकता है।

लेजर प्रसंस्करण में कठोर उच्च-शक्ति निरंतर प्रसंस्करण स्थितियों का अनुकरण करने के लिए, थर्मल ड्रिफ्ट परीक्षण में ऑप्टिकल परीक्षण के समान ऑप्टिकल पथ का उपयोग किया गया था, लेकिन प्रकाश स्रोत को 15 w 1 0 30 एनएम के साथ बदल दिया गया था लेजर। डिवाइस के तापमान, फोकल विमान में परिवर्तन और 4H-SIC सुपरलेंस और वाणिज्यिक उद्देश्य लेंस के कटिंग प्रभाव को निरंतर संचालन के 1 घंटे के लिए परीक्षण किया गया था। एक अवरक्त थर्मल इमेजर द्वारा मापा गया डिवाइस सतह के तापमान में परिवर्तन चित्र 4 ए-बी में दिखाए गए हैं। उच्च-शक्ति लेजर विकिरण के 60 मिनट के बाद, 4H-SIC सुपरलेंस का डिवाइस तापमान केवल 3.2 डिग्री तक बढ़ गया, और तापमान परिवर्तन केवल 6% उद्देश्य लेंस (54.0 डिग्री का तापमान वृद्धि) का 6% था। पारंपरिक उद्देश्य लेंस की तुलना में, 4H-SIC सुपरलेंस अतिरिक्त शीतलन घटकों के बिना लगभग 10 मिनट तक चलने के बाद एक स्थिर तापमान तक पहुंच सकता है, और तापमान परिवर्तन छोटा होता है और ऑपरेटिंग तापमान कम होता है। यह उत्कृष्ट थर्मल प्रबंधन प्रदर्शन कठोर कामकाजी परिस्थितियों में 4H-SIC सुपरलेंस की प्रभावशीलता को प्रदर्शित करता है।

डिवाइस के ऑप्टिकल प्रदर्शन में परिवर्तनों को प्रतिबिंबित करने के लिए, CCD का उपयोग 1 घंटे के भीतर डिवाइस के फोकल प्लेन ऑफसेट को रिकॉर्ड करने के लिए किया गया था (जैसा कि चित्र 4C-D में दिखाया गया है)। परीक्षण के परिणाम बताते हैं कि 4H-SIC सुपरलेंस के फोकस में कोई स्पष्ट ऑफसेट नहीं है, जबकि वाणिज्यिक उद्देश्य लेंस के ध्यान में 30 मिनट के बाद स्पष्ट ऑफसेट है, और अंत में अत्यधिक ऑफसेट के कारण CCD को imaged नहीं किया जा सकता है। फोकस के आधी ऊंचाई पूर्ण चौड़ाई और केंद्र निर्देशांक छवि प्रसंस्करण द्वारा प्राप्त किए जाते हैं, और फोकस निर्देशांक की तुलना इन-प्लेन विस्थापन डेटा को प्राप्त करने के लिए प्रारंभिक स्थिति के साथ की जाती है। निरंतर उच्च-शक्ति लेजर विकिरण के 1 घंटे के बाद, Z- अक्ष प्लेटफॉर्म को ऑप्टिकल अक्ष के साथ डिवाइस के ऑफसेट को प्राप्त करने के लिए फोकल विमान के विस्थापन दूरी पर वापस ले जाया जाता है। वाणिज्यिक उद्देश्य लेंस का फोकल विमान ऑफसेट 213 माइक्रोन है, जबकि 4H-SIC सुपरलेंस का फोकल प्लेन ऑफसेट केवल 13 माइक्रोन है, यह दर्शाता है कि यह निरंतर उच्च-शक्ति लेजर विकिरण के दौरान उत्कृष्ट ऑप्टिकल स्थिरता और स्थिरता है।

वास्तविक लेजर कटिंग प्रक्रिया के दौरान प्रसंस्करण प्रभाव पर थर्मल बहाव के प्रभाव की तुलना करने के लिए एक ही ऑप्टिकल पथ का उपयोग करके लेजर कटिंग प्रयोग किया गया था। प्रयोग ने 4H-SIC वेफर्स का चयन किया, जो कि कट सामग्री के रूप में, प्रक्रिया के लिए बेहद मुश्किल है। कटिंग ऑप्टिकल पथ को स्टेप स्कैनिंग टेस्ट द्वारा कैलिब्रेट किया गया था। अंशांकन के बाद, हर 10 मिनट में एक्स दिशा के साथ कटिंग की गई, और 1 घंटे के भीतर कटिंग प्रभाव में परिवर्तन दर्ज किए गए। कट वेफर के क्रॉस सेक्शन के कटिंग आकृति विज्ञान को एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप (जैसा कि चित्र 4E-F में दिखाया गया है) की विशेषता थी। परिणामों से पता चला कि 4H-SIC सुपरलेंस का लेजर कटिंग प्रदर्शन 60 मिनट के ऑपरेशन के बाद स्थिर रहा, जबकि वाणिज्यिक उद्देश्य लेंस का ध्यान 30 मिनट के बाद सब्सट्रेट के अंदर की ओर काफी स्थानांतरित हो गया। डेटा विश्लेषण में पाया गया कि ऑपरेशन के 1 घंटे के बाद 4H-SIC सुपरलेंस की गहराई में कटौती में परिवर्तन वाणिज्यिक उद्देश्य लेंस का केवल 11.4% था। प्रायोगिक परिणामों ने फोकल प्लेन ऑफसेट के परीक्षण को सत्यापित किया और वास्तविक औद्योगिक अनुप्रयोगों में 4H-SIC सुपरलेंस की बेहतर डिवाइस स्थिरता को प्रतिबिंबित किया।

सारांश और दृष्टिकोण

इस अध्ययन ने एक 4H-SIC सुपरलेंस का प्रस्ताव रखा जो उच्च-शक्ति लेजर प्रसंस्करण में थर्मल बहाव समस्या को कम कर सकता है। प्रायोगिक परिणाम बताते हैं कि 4H-SIC सुपरलेंस अपनी उत्कृष्ट तापीय चालकता के कारण उत्कृष्ट थर्मल स्थिरता और ऑप्टिकल प्रदर्शन को प्राप्त करता है। सुपरलेंस उच्च-प्रदर्शन वाणिज्यिक उद्देश्य लेंस के ऑप्टिकल संकेतकों को बेंचमार्क करता है, और नैनोकोल्यूम सुपरसेल के आधार पर, यह कुशल ध्यान केंद्रित करता है जो ध्रुवीकरण के लिए असंवेदनशील है। बड़े आकार के 4H-SIC सुपरलेंस की तैयारी की समस्या को बड़े पैमाने पर उत्पादन के साथ संगत अर्धचालक प्रसंस्करण प्रौद्योगिकी के माध्यम से सफलतापूर्वक हल किया गया था। प्रयोगों से पता चलता है कि सुपरलेंस डिज़ाइन किए गए फोकल लंबाई पर ध्यान केंद्रित करने वाले विवर्तन-सीमित को प्राप्त करता है और लगातार उच्च-शक्ति लेजर विकिरण के तहत उत्कृष्ट स्थिरता प्रदर्शित करता है, बेहद छोटे फोकस शिफ्ट के साथ, जो वाणिज्यिक उद्देश्य लेंस की तुलना में बहुत बेहतर है। लेजर काटने के अनुप्रयोगों में, इस सुपरलेंस का उपयोग करके कटिंग आकृति विज्ञान बहुत कम बदलता है। ये परिणाम पारंपरिक उद्देश्य लेंस की तुलना में 4H-SIC सुपरलेंस के बेहतर प्रदर्शन को उजागर करते हैं, जिन्हें आमतौर पर स्थिरता के समान स्तरों को प्राप्त करने के लिए जटिल शीतलन प्रणालियों की आवश्यकता होती है। आगे देखते हुए, आगे के शोध और अनुकूलन के साथ, 4H-SIC सुपरलेंस को उच्च-शक्ति लेजर सिस्टम में व्यापक रूप से उपयोग किए जाने और संबंधित क्षेत्रों के विकास को बढ़ावा देने की उम्मीद है। अपने कॉम्पैक्ट डिज़ाइन और उत्कृष्ट ऑप्टिकल और थर्मल प्रदर्शन के साथ, मेटासुरफेस डिवाइसों की इस नई पीढ़ी को संवर्धित वास्तविकता, एयरोस्पेस और लेजर प्रसंस्करण जैसे क्षेत्रों में लागू किया जा सकता है, जो वर्तमान उद्योग में प्रमुख थर्मल प्रबंधन समस्याओं को प्रभावी ढंग से हल करता है।

चेन बॉयू और सन शियाओयू, झेजियांग विश्वविद्यालय और वेस्ट लेक यूनिवर्सिटी के संयुक्त डॉक्टरेट छात्र, सह-प्रथम लेखक हैं, और वेस्ट लेक यूनिवर्सिटी के प्रोफेसर किउ मिन, जी हुआ प्रयोगशाला के एसोसिएट शोधकर्ता पैन मयान, मूड माइक्रो के डॉ। डू काइकई- नैनो (हांग्जो) टेक्नोलॉजी कं, लिमिटेड, और वेस्ट लेक यूनिवर्सिटी इंस्टीट्यूट ऑफ ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स के शोधकर्ता झाओ डिंग पेपर के सह-संबंध लेखक हैं। अनुसंधान कार्य को नेशनल नेचुरल साइंस फाउंडेशन ऑफ चाइना और गुआंगडोंग प्रांतीय बेसिक और एप्लाइड बेसिक रिसर्च फंड द्वारा समर्थित किया गया था, और भविष्य के उद्योग अनुसंधान केंद्र और वेस्ट लेक विश्वविद्यालय के उन्नत माइक्रो-नैनो प्रसंस्करण और परीक्षण मंच द्वारा भी दृढ़ता से समर्थन किया गया था।