Υβριδικές περιοδικές μικροδομές σε μεμβράνες χρωμίου παρασκευάστηκαν με τεχνική νανοδευτερολέπτου λέιζερ με υποβοήθηση SLM

26-09-2024

Ο χωρικός διαμορφωτής φωτός είναι ένα δυναμικό στοιχείο που μπορεί να αλλάξει το πλάτος, τη φάση και την κατάσταση πόλωσης του προσπίπτοντος φωτός σε πραγματικό χρόνο υπό τον έλεγχο εξωτερικού σήματος. Η εφαρμογή του χωρικού διαμορφωτή φωτός στην επεξεργασία με λέιζερ μπορεί να πραγματοποιήσει δυναμική διαμόρφωση δέσμης και έχει τα πλεονεκτήματα του προγραμματισμού, του εύκολου ελέγχου, της εύκολης ενσωμάτωσης, της χαμηλής απώλειας και της υψηλής συχνότητας ανανέωσης. Και με τη βελτίωση του ορίου βλάβης των χωρικών διαμορφωτών φωτός, τα πεδία εφαρμογής της επεξεργασίας με λέιζερ επεκτείνονται επίσης, όπως η κατασκευή δομών μεταϋλικών, η μικρορευστομηχανική, η τρισδιάστατη εκτύπωση, η οπτική αποθήκευση, η τροποποίηση επιφάνειας υλικού, οι κβαντικές κουκκίδες και άλλα πεδία.

Πληροφορίες διατριβής:

Σε αυτή την εργασία, παρουσιάζεται μια αποτελεσματική τεχνική για την παρασκευή διαφορετικών υβριδικών δομών περιόδου σε μεμβράνες χρωμίου (Cr) με διαφορετικό πάχος χρησιμοποιώντας ένα λέιζερ νανοδευτερολέπτων 1064nm με τη βοήθεια χωρικού διαμορφωτή φωτός (SLM). Για μεμβράνες Cr 1000nm, μπορούν να παρασκευαστούν κανονικά MG-LIPS δύο κλιμάκων συνδυάζοντας το περιοδικό πλέγμα διαμόρφωσης (MG) που παράγεται από το SLM με την περιοδική επιφανειακή δομή που προκαλείται από λέιζερ (LIPSS), της οποίας τα μορφολογικά χαρακτηριστικά ελέγχονται από τη ροή λέιζερ, τον αριθμό των αποτελεσματικών παλμών και την περίοδο MG. Λόγω του φαινομένου περίθλασης των MG και LIPSS, η επιφάνεια του μοτίβου MG-LIPSS εμφανίζει έντονα ανισότροπα δομικά χρώματα. Λόγω της πιο σημαντικής θερμικής καταπόνησης των λεπτότερων μεμβρανών σε σύγκριση με τα MG-LIPss, σχηματίζεται μια σύνθετη περιοδική δομή που αποτελείται από MG και ρωγμές (MGC) στις μεμβράνες Cr 200nm. Αν και οι ρωγμές του MGC είναι τυχαία κατανεμημένες, το MGC έχει ένα χαρακτηριστικό μακράς τάξης ορισμένης διαπερατότητας και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πλέγμα μετάδοσης με φαινόμενο περίθλασης. Αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η επεξεργασία με λέιζερ διαμόρφωσης φωτεινού πεδίου που βασίζεται σε SLM παρέχει μια αποτελεσματική, οικονομική και ελεγχόμενη μέθοδο για την παρασκευή περιοδικών δομών μεγάλης επιφάνειας σε μεμβράνες Cr. Επιπλέον, οι αλλαγές στο πάχος της μεμβράνης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την διερεύνηση υβριδικής μικροδομής με συγκεκριμένες ιδιότητες για διαφορετικές εφαρμογές, όπως οπτικά εξαρτήματα και μέτρα κατά της παραποίησης.

Τα ακόλουθα αποτελούν μέρος της πειραματικής διαδικασίας και των αποτελεσμάτων:

Η πηγή φωτός χρησιμοποιεί ένα εμπορικό λέιζερ νανοδευτερολέπτων, το οποίο παρέχει ένα λέιζερ γραμμικής πόλωσης 1064nm, 50ns. Η συχνότητα επανάληψης ρυθμίζεται στα 3kHz κατά τη διάρκεια του πειράματος και η αντίστοιχη μέγιστη ισχύς εξόδου του λέιζερ είναι 0,45W. Το φως που εκπέμπεται από το λέιζερ διέρχεται από έναν καθρέφτη διαστολής δέσμης 4×, έτσι ώστε η φωτεινή κηλίδα να γεμίζει με την επιφάνεια-στόχο της βαλβίδας φωτός υγρών κρυστάλλων. Στο πείραμα χρησιμοποιείται ο διαμορφωτής φωτός φάσης-χωρικού φωτός (FSLM-2K70-VIS), το μέγεθος pixel είναι 8um και η ανάλυση είναι 1920×1080. Αφού διαμορφωθεί από έναν διαμορφωτή φωτός-χωρικού χώρου, επενεργεί στο δείγμα μέσω ενός φακού και η διαδικασία επεξεργασίας παρακολουθείται σε πραγματικό χρόνο από CCD για να διασφαλιστεί ότι η επιφάνεια του δείγματος βρίσκεται πάντα στο επίπεδο επεξεργασίας. Το ολόγραμμα δημιουργήθηκε με τον αλγόριθμο Gerchberg Saxton.

ΣΧ. 1 (α) Πειραματική συσκευή (Φασικός χωρικός διαμορφωτής φωτός, μοντέλο: FSLM-2K70-VIS)· (β) Αρχικές και διαμορφωμένες δέσμες.

ΣΧ. 2 Μορφολογία SEM λεπτών υμενίων 1000nmCr που σχηματίστηκαν από MG-LIPSS υπό 4 διαφορετικές περιόδους διαμόρφωσης Γ καθώς αυξάνεται η ροή λέιζερ. Κλίμακα: 5μm.

ΣΧ. 3 Μορφολογία SEM του MG-LIPSS που σχηματίζεται από μεμβράνες (α)-(γ) 1000nmCr υπό διαφορετικούς αριθμούς αποτελεσματικών παλμών. Κλίμακα: 5μm.

ΣΧ. 4 (α) 0,27J/cm² και (ε) 0,32J/cm² αντιστοιχούν σε μετρήσεις AFM δομών MG-LIPSS υπό διαφορετική ακτινοβολία λέιζερ, αντίστοιχα. (β) και (στ) αντιστοιχούν σε δισδιάστατους γρήγορους μετασχηματισμούς Fourier εικόνων SEM (α) και (ε), αντίστοιχα. (γ) και (δ) Δισδιάστατα διαγράμματα διατομών LIPSS και MG που αντιστοιχούν σε (α) MG-LIPss. Τα (ζ) και (η) είναι δισδιάστατα διαγράμματα των διατομών LIPSS και MG που αντιστοιχούν σε (ε) MG-LIPss. Κλίμακα: 5μm.

Σχήμα 5 (ab) Φάσματα MicroRaman του MG-LIPSS που παρασκευάστηκαν σε δύο διαφορετικές ροές λέιζερ F σε διαφορετικές θέσεις. (cf) Αποτελέσματα EDS του MG-LIPSS που παρασκευάστηκαν σε διαφορετικές ροές λέιζερ F (τα σημεία συλλογής σημειώνονται με κόκκινο χρώμα στο σχήμα). Κλίμακα: 5μm.

ΣΧ. 6 Μορφολογία SEM του MGC που σχηματίστηκε υπό διαφορετικές συνθήκες επεξεργασίας για φιλμ Cr στα 200 nm. (α) Γ2 = 8 μm, F = 0,16 J/cm². (β) Γ3 = 9 μm, F = 0,16 J/cm². (γ) Γ4 = 13 μm, F = 0,16 J/cm². (δ) Γ4 = 13 μm, F = 0,30 J/cm². Κλίμακα: 5μm.

Σχήμα 7 Χρώμα δομής ουράνιου τόξου του MG-LIPSS. (α) Διάγραμμα περίθλασης λευκού φωτός της μικτής περιοδικής δομής MG-LIPSS που σχηματίζεται σε μεμβράνη 1000nmCr, με το LIPSS και το MG να παράγουν χρώματα δομής ουράνιου τόξου σε δύο ορθογώνιες κατευθύνσεις, αντίστοιχα. (β) Το μοτίβο κινεζικών χαρακτήρων του "Πανεπιστημίου Sun Yat-sen" είναι επικαλυμμένο με 1000nm Cr σε γυάλινη πλακέτα με διάμετρο 100 mm. (γ) Επεξεργασμένα δείγματα. (δ) και (ε) χρωματίζουν το μοτίβο "Πανεπιστήμιο Sun Yat-sen" και το μοτίβο δράκου αντίστοιχα. (στ) και (ζ) Το "3" του MG-LIPSS είναι διαφορετικές αναπαραστάσεις των χρωμάτων της ιριδίζουσας δομής σε διαφορετικές γωνίες θέασης. Κλίμακα: 5mm.

Οι παράμετροι του διαμορφωτή χωρικού φωτός που χρησιμοποιήθηκε σε αυτό το πείραμα είναι οι εξής:

Αριθμός μοντέλου	FSLM-2K70-P03	Τύπος διαμόρφωσης	Φασικό μοτίβο
Τύπος υγρών κρυστάλλων	Τύπος αντανάκλασης	Επίπεδο γκρι	8 bit, 256 επίπεδα
Λειτουργία υγρών κρυστάλλων	ΤΗΓΑΝΙ	Λειτουργία οδήγησης	εικόνα
Ψήφισμα	1920×1080	Μέγεθος εικονοστοιχείου	8.0μm
Αποτελεσματική περιοχή	0,69" 15,36 χιλιοστά × 8,64 χιλιοστά	Συντελεστής πλήρωσης	87%
ομαλότητα（ΦΒ）	Πριν από τη βαθμονόμηση: 5λ Μετά τη βαθμονόμηση: 1λ	ομαλότητα(RMS)	Πριν από τη βαθμονόμηση: 1/3λ Μετά τη βαθμονόμηση: 1/10λ
Συχνότητα ανανέωσης	60Hz	Χρόνος απόκρισης	≤30ms
Οπτική απόδοση	75% @ 1064nm	Γωνία ευθυγράμμισης	0°
Εύρος φάσης	2π@1064nm Μέγιστο: 2.1π@1064nm	Φασματικό εύρος	450nm-1100nm
Γάμμα προσαρμόζω	υποστήριξη	Διόρθωση φάσης	υποστήριξη (808nm/1064nm)
γραμμικότητα	≥99%	Σταθερότητα φάσης（RMS）	≤0.13π
Όριο ζημιάς	Συνεχής: ≤20W/cm2 (χωρίς ψύξη με νερό) ≤100W/cm2 (υδρόψυκτο)	Απόδοση περίθλασης	1064nm 60%@ L8 66%@ L16 75%@ L32

Προκειμένου να επεκταθεί περαιτέρω η εφαρμογή του διαμορφωτή χωρικού φωτός στη βιομηχανία, η παρούσα εργασία αναπτύσσεται.Υψηλή ζημιά, τετράγωνη μεγάλη επιφάνεια στόχου, διαμορφωτής χωρικού φωτός:

Αριθμός μοντέλου	FSLM-2K73-P03HP	Τύπος διαμόρφωσης	Φασικό μοτίβο
Τύπος υγρών κρυστάλλων	Τύπος αντανάκλασης	Επίπεδο γκρι	8 ή 10 bits προαιρετικά
Λειτουργία υγρών κρυστάλλων	ΤΗΓΑΝΙ	Λειτουργία οδήγησης	εικόνα
Ψήφισμα	2048×2048	Μέγεθος εικονοστοιχείου	6.4μm
Αποτελεσματική περιοχή	0,73" 13,1 χιλιοστά × 13,1 χιλιοστά	Συντελεστής πλήρωσης	93%
Συχνότητα ανανέωσης	60 Hz (8bit)*	Τροφοδοτικό εισόδου	12V 3A
Γωνία ευθυγράμμισης	0°	Διεπαφή δεδομένων	HDMI
Εύρος φάσης	2π@1064nm Μέγιστο: 3,5π@1064nm	Φασματικό εύρος	1000nm-1100nm
Οπτική απόδοση	95%±5% @ 1064nm	Χρόνος απόκρισης	≤30ms
Διόρθωση γάμμα	υποστήριξη	Διόρθωση φάσης	Υποστήριξη (1064nm)
γραμμικότητα	≥99%	Σταθερότητα φάσης (RMS)	＜0.03π
Όριο ζημιάς	Συνεχής: ≤1000W/cm2 (χωρίς ψύξη με νερό) Παλμός: Πυκνότητα μέγιστης ισχύος (10GW/cm2) Μέση πυκνότητα ισχύος (100W/cm2) @1064nm/290fs/200KHz (υδρόψυκτη)	Απόδοση περίθλασης	1064nm 56%@ L8 72%@ L16 85%@ L32

Γράψε στο τέλος:

Με την περαιτέρω ανάπτυξη της τεχνολογίας επεξεργασίας λέιζερ και την αυξανόμενη ζήτηση για δείκτες επεξεργασίας υψηλής ακρίβειας και υψηλής απόδοσης, ο διαμορφωτής χωρικού φωτός, ως βασικό οπτικό στοιχείο, θα διαδραματίσει σημαντικό ρόλο. Η εφαρμογή του διαμορφωτή χωρικού φωτός στην επεξεργασία λέιζερ δεν περιορίζεται σε έναν μόνο τεχνικό τομέα, οι ευρείες προοπτικές εφαρμογής του καλύπτουν μια σειρά από τομείς, όπως η βιομηχανική κατασκευή, η επιστημονική έρευνα, η οπτοηλεκτρονική κ.λπ., για την πρόοδο και την καινοτομία της τεχνολογίας επεξεργασίας λέιζερ που παρέχει ισχυρή υποστήριξη και κινητήρια δύναμη, αναμένεται να προωθήσει την τεχνολογία επεξεργασίας λέιζερ σε μια πιο προηγμένη, πιο σύνθετη κατεύθυνση.