Prof. Qiu Min grupė Westlake'o universitete sėkmingai sukūrė naujo tipo homogenišką silicio karbido (4H-SIC) superlensą, kuris pateikia visiškai naują sprendimą šiluminio dreifo problemai didelės galios lazeriu perdirbant.
Palyginti su įprastais komerciniais objektyvais, „Superlens“ ne tik sugeba pasiekti ribotą difrakcijos fokusavimą, bet ir išlaikyti stabilų našumą užsitęsus didelės galios lazerio švitinimui, kuriam praktiškai nepaveikta šilumos absorbcija.
4H-SIC medžiagos sulaukė dėmesio už puikias savybes: didelis pralaidumas ir lūžio rodiklis optikai, didelis šilumos laidumas šiluminiam valdymui ir didelis atsparumas įbrėžimams bei įbrėžimų atsparumui mechaninėms savybėms. Šios savybės daro jį idealia medžiaga aukšto našumo optikai ir didelės galios įrenginiams.
Naujieji „Superlens“ naudoja aukštą šilumos laidumą ir mažų 4H-SIC medžiagų nuostolių charakteristikas, kad būtų galima efektyviai slopinti šiluminio dreifo efektą ir atsikratyti priklausomybės nuo sudėtingų aušinimo sistemų.
Šis technologinis proveržis ne tik teikia pagrindinę didelės galios lazerinių sistemų palaikymą, bet ir suteikia naujų galimybių tiksliems prietaisams gaminti, poliarinius tyrinėjimus, kosmoso ir daugelį kitų sričių. Ypač ypač didelių reikalavimų, susijusių su tikslumo ir paviršiaus kokybės reikalavimais, 4H-SIC superlenai gali atlikti svarbų vaidmenį teikiant efektyvesnius ir kompaktiškesnius sprendimus didelės galios lazerio programoms.
1. Nauja idėja išspręsti didelės galios lazerių šiluminio dreifo problemą
Susidūrę su atsitiktinumu, tyrėjai pastebėjo keblią problemą, dažniausiai susidarančią įmonės gamyboje: nuolat dirbant didelės galios lazeriu, tiksliai pjaustant gamybos liniją, objektyvus objektyvas deformuos jo vidinius optinius elementus dėl nuolatinio šilumos kaupimosi, o tai galiausiai paveiks apdorojimo formą ir nuoseklumą.
Taip yra todėl, kad kai didelio intensyvumo lazerinė šviesa smogia optiniam prietaisui, medžiaga sugeria dalį šviesos energijos ir paverčia ją šiluma. Medžiagoms, tokioms kaip silicio oksidas (kvarcas) ir kalcio fluoridas (fluoro), kurių šilumos laidumas yra mažas, sunku efektyviai ir laiku atlikti šilumą, todėl lokaliai perkaisti prietaisą.
Norėdami išspręsti šią problemą, grupė paruošė skaidrią 4H-SIC medžiagą kaip specialius superlenus. Prietaisas yra plonesnis nei vienos dolerio moneta, o jo paviršius yra padengtas šimtais milijonų nanopilarų, kurių skersmuo yra maždaug 200-400 nanometrai ir maždaug 1 mikrono gylis.
"Dėl didelio silicio karbido medžiagos lūžio rodiklio mes sugebėjome manipuliuoti bangos fronto šviesos faze, sureguliuodami nanopillarų dydį, kad pasiektumėte fokusavimo funkciją, panašią į komercinio lęšių funkciją. Kartu su puikiu pačios medžiagos šilumos laidumu. Geriau šilumos išsisklaidymas yra realizuojamas plonėjiniame ir židinio prietaise." Chen Botao apibūdina.
4H-SIC Superlens (kairėje) ir SEM apibūdinimas (dešinėje) (Šaltinis: Botao Chen)
2. Eksperimentinis puikaus šiluminio stabilumo patikrinimas
Eksperimente tyrėjai modeliavo realaus gyvenimo pramonės scenarijų švitindami „Mitetutoyo“ mikroskopo objektyvą (pagrindinį pramonės komercinį objektyvą) ir 4H-SIC superlenus, kuriuos tuo pačiu metu sukūrė komanda su didelio galingumo lazeriu.
Rezultatai rodo, kad esant 15- vatei, 1030- nm impulsiniam lazerio švitinimui vieną valandą, 4H-SIC superlens temperatūra padidėjo tik 3,2 laipsnio, o fokusavimo poslinkis buvo tik dešimtadalis įprasto tikslo objektyvo.
Tradicinis šilumos išsklaidymo metodas paprastai yra vandens aušinimo žiedas, esančio už objektyvo, montuojant vandens aušinimo žiedą, kad būtų pašalinta prietaiso sugeriama šiluma, cirkuliuojant aušinimo vandeniu. Šis sprendimas yra ne tik sudėtingas ir brangus, bet ir žymiai padidina energijos suvartojimą ir anglies išmetimą, todėl reikia papildomų sistemų, kad vandens aušinimo įrenginys veiktų.
Priešingai, siūlomas komandos sprendimas pašalina bet kokių šilumos išsklaidymo komponentų poreikį, tiesiog pritvirtinant superlenus ant veidrodžio rėmo ir naudojant labai efektyvų kietojo kūno šilumos perdavimą, kad greitai eksportuotų šilumą. Tai ne tik leidžia nuolat ir stabiliai veikti, bet ir labai supaprastina naudojimo ir priežiūros reikalavimus.
Paveikslėlis 丨 4H-SIC Superlens (kairėje) ir įprasto objektyvo (dešinėje) šiluminio dreifo efekto schema (dešinėje)
3. Dalyvavimo iššūkių įveikimas ir perėjimas prie masinės gamybos
Kaip aukšto kieto medžiagos, kurios „Mohs“ kietumas yra antras tik deimantui, silicio karbidui yra labai sunku apdoroti. Nors jis buvo naudojamas didelės galios traškučiuose naujoms energetinėms transporto priemonėms, dvimatūs tranzistoriai žymiai skiriasi nuo mikrok ir nano-optinių prietaisų su trimatėmis konstrukcijomis.
"Turime apdoroti šimtus milijonų mažų šimto nanometrų dydžio kolonų, esančių pusės monetos dydžio srityje. Ne tik šie nanopilės turi būti ploni ir giliai, turintys nuoseklią formą, bet ir suderinimo tikslumas turi būti ypač didelis, todėl padidina apdorojimo sunkumus." - sakė Chenas Botao.
Nuotrauka 丨 Qiu Min grupės nuotrauka
Verta paminėti, kad komanda priėmė „Micro-Nano“ apdorojimo procesą, suderinamą su masine gamyba. Daugiau nei 20 metų „Qiu Min“ grupės techninis kaupimasis mikro-nano optoelektronikos srityje padėjo tvirtą pagrindą šiems tyrimams.
Tyrinėdami apdorojimo procesą, tyrėjai visiškai apsvarstė mokslinių tyrimų rezultatų ir rinkos paklausos taikymą, todėl prietaiso amplitudė turi būti pakankamai didelė, kad būtų galima visiškai pakeisti tradicinius objektyvus objektyvus. Remdamiesi ankstesne technologijos kaupimu, jie patobulino šį apdorojimo procesą ir išleido papildomų realybės akinių produktus.
Šiuo metu tyrėjai sukūrė įvairius silicio karbido superlensus, kad būtų patenkinti skirtingais poreikiais, ir sukūrė išsamią programą, skirtą pigių ir didelio derliaus krypčiai. Remiantis ataskaita, šis unikalus procesas buvo pritaikytas kelioms kooperatinėms įmonėms. Be to, komanda taip pat bendradarbiauja su keliomis institucijomis, siekdama nuolatinio šios technologijos plėtros.
