Krómfilmeken hibrid periodikus mikrostruktúrákat állítottunk elő SLM-támogatású nanoszekundumos lézertechnikával.

2024-09-26

A térbeli fénymodulátor egy dinamikus komponens, amely külső jel vezérelésével valós időben képes megváltoztatni a beeső fény amplitúdóját, fázisát és polarizációs állapotát. A térbeli fénymodulátor alkalmazása a lézeres megmunkálásban dinamikus nyalábformálást tesz lehetővé, és a programozhatóság, a könnyű vezérlés, a könnyű integrálhatóság, az alacsony veszteség és a magas frissítési frekvencia előnyeivel rendelkezik. A térbeli fénymodulátorok károsodási küszöbének javulásával a lézeres megmunkálás alkalmazási területei is bővülnek, mint például a metaanyag-szerkezet-gyártás, a mikrofluidika, a 3D nyomtatás, az optikai tárolás, az anyagfelület-módosítás, a kvantumpöttyök és más területek.

Szakdolgozat információk:

Ebben a cikkben egy hatékony technikát mutatunk be különböző hibrid periódusú struktúrák előállítására különböző vastagságú króm (Cr) filmeken térbeli fénymodulátorral (SLM) segített 1064 nm-es nanoszekundumos lézer segítségével. 1000 nm-es Cr filmek esetén szabályos kétléptékű MG-LIPS-ek állíthatók elő az SLM által generált periodikus modulációs rács (MG) és a lézerrel indukált periodikus felületi struktúra (LIPSS) kombinálásával, amelynek morfológiai jellemzőit a lézerfluxus, az effektív impulzusok száma és az MG periódus szabályozza. Az MG és a LIPSS diffrakciós hatása miatt az MG-LIPSS mintázat felülete élénk anizotrop szerkezeti színeket mutat. A vékonyabb filmek MG-LIPSs-hez képest jelentősebb hőfeszültsége miatt a 200 nm-es Cr filmeken egy komplex periodikus szerkezet alakul ki, amely MG-ből és repedésekből (MGC) áll. Bár az MGC repedései véletlenszerűen oszlanak el, az MGC hosszú rendű, bizonyos áteresztőképességű, és diffrakciós hatással bíró transzmissziós rácsként használható. Ezek az eredmények azt mutatják, hogy az SLM-alapú, fénymező modulált lézeres megmunkálás hatékony, gazdaságos és szabályozható módszert kínál nagy felületű periodikus struktúrák előállítására Cr-filmeken. Ezenkívül a filmvastagság változásai felhasználhatók hibrid mikrostruktúrák vizsgálatára, amelyek specifikus tulajdonságokkal rendelkeznek különböző alkalmazásokhoz, például optikai alkatrészekhez és hamisítás elleni intézkedésekhez.

A kísérleti folyamat és az eredmények a következők:

A fényforrás egy kereskedelmi forgalomban kapható nanoszekundumos lézert használ, amely egy 1064 nm-es, 50 ns-os lineáris polarizációs impulzuslézert biztosít. A kísérlet során az ismétlési frekvenciát 3 kHz-re állítják, a lézer ehhez tartozó maximális kimenő teljesítménye pedig 0,45 W. A lézer által kibocsátott fény egy 4×-es nyalábtágító tükrön halad át, így a fényfoltot a folyadékkristályos fényszelep célfelülete tölti ki. A kísérletben fázis-térbeli fénymodulátort (FSLM-2K70-VIS) használnak, a pixelméret 8 µm, a felbontás pedig 1920×1080. Miután egy térbeli fénymodulátorral modulálták, egy lencsén keresztül hat a mintára, és a feldolgozási folyamatot valós időben CCD figyeli, hogy biztosítsa, hogy a minta felülete mindig a feldolgozási síkban legyen. A hologramot a Gerchberg-Saxton algoritmussal generálták.

1. ÁBRA (a) Kísérleti eszköz (fázisos térbeli fénymodulátor, modell: FSLM-2K70-VIS); (b) Eredeti és modulált nyalábok.

2. ÁBRA. MG-LIPSS-sel 4 különböző modulációs periódus Γ alatt, a lézerfluxus növekedésével előállított 1000 nm-es Cr vékonyrétegek SEM morfológiája. Lépték: 5 μm.

3. ÁBRA. Az (a)-(c) 1000 nm-es Cr filmekből különböző effektív impulzusszámok alatt létrehozott MG-LIPSS SEM morfológiája. Lépték: 5 μm.

4. ÁBRA: Az (a) 0,27J/cm² és (e) 0,32J/cm² értékek rendre az MG-LIPSS szerkezetek AFM méréseinek felelnek meg különböző lézerbesugárzás alatt. A (b) és (f) értékek az (a) és (e) SEM képek kétdimenziós gyors Fourier-transzformációinak felelnek meg. (c) és (d) Az (a) MG-LIPss-nek megfelelő LIPSS és MG keresztmetszetek kétdimenziós diagramjai. A (g) és (h) az (e) MG-LIPss-nek megfelelő LIPSS és MG keresztmetszetek kétdimenziós diagramjai. Lépték: 5 μm.

5. ábra (ab) Két különböző F lézerfluxussal, különböző helyeken előállított MG-LIPSS MicroRaman spektrumai. (cf) Különböző F lézerfluxusokkal előállított MG-LIPSS EDS eredményei (a gyűjtési pontokat pirossal jelöltük az ábrán). Lépték: 5 μm.

6. ÁBRA. A különböző feldolgozási körülmények között Cr film esetén 200 nm-en képződött MGC SEM morfológiája. (a) Γ2 = 8 μm, F = 0,16 J/cm². (b) Γ3 = 9 μm, F = 0,16 J/cm². (c) Γ4 = 13 μm, F = 0,16 J/cm². (d) Γ4 = 13 μm, F = 0,30 J/cm². Lépték: 5 μm.

7. ábra Az MG-LIPSS szivárványos szerkezetének színe. (a) Az MG-LIPSS vegyes periodikus szerkezetének fehérfény-diffrakciós diagramja, amelyet egy 1000 nm-es Cr filmen alakítottak ki, ahol a LIPSS és az MG két ortogonális irányban hozza létre a szivárványos szerkezet színeit. (b) A "Sun Yat-sen Egyetem" kínai karaktermintája 1000 nm-es Cr-ral van bevonva egy 100 mm átmérőjű üveglapon. (c) Feldolgozott minták. (d) és (e) a "Sun Yat-sen Egyetem" mintát, illetve a sárkány mintát színezik. (f) és (g) Az MG-LIPSS "3" az irizáló szerkezet színeinek különböző ábrázolásai különböző látószögekből. Lépték: 5 mm.

A kísérletben használt térbeli fénymodulátor paraméterei a következők:

Modellszám	FSLM-2K70-P03	Moduláció típusa	Fázisminta
Folyadékkristályos típus	Fényvisszaverő típus	Szürke szint	8 bit, 256 szint
Folyadékkristályos mód	PÁN	Vezetési mód	ábra
Felbontás	1920×1080	Pixelméret	8,0 μm
Hatékony régió	0,69" 15,36 mm × 8,64 mm	Kitöltési tényező	87%
síkság()Napi érték)	Kalibrálás előtt：5λ Kalibrálás után：1λ	síkság(RMS)	Kalibrálás előtt：1/3λ Kalibrálás után：1/10λ
Frissítési gyakoriság	60 Hz	Válaszidő	≤30 ms
Optikai hatékonyság	75% 1064 nm-en	Beállítási szög	0°
Fázistartomány	2π@1064nm Max：2.1π@1064nm	Spektrális tartomány	450 nm-1100 nm
Gamma igazít	támogatás	Fáziskorrekció	támogatás (808nm/1064nm)
linearitás	≥99%	Fázisstabilitás()RMS)	≤0,13π
Sebzési küszöb	Folyamatos: ≤20W/cm2 (vízhűtés nélkül) ≤100W/cm2 (vízhűtéses)	Diffrakciós hatékonyság	1064 nm 60% L8-on 66% @ L16 75% L32-nél

A térbeli fénymodulátor ipari alkalmazásának további kiterjesztése érdekében ezt a tanulmányt kidolgoztukNagy károsodású, négyzet alakú, nagy célfelületű térbeli fénymodulátor:

Modellszám	FSLM-2K73-P03HP	Moduláció típusa	Fázisminta
Folyadékkristályos típus	Fényvisszaverő típus	Szürke szint	8 vagy 10 bit opcionális
Folyadékkristályos mód	PÁN	Vezetési mód	ábra
Felbontás	2048×2048	Pixelméret	6,4 μm
Hatékony régió	0,73" 13,1 mm × 13,1 mm	Kitöltési tényező	93%
Frissítési gyakoriság	60 Hz (8 bit)*	Bemeneti tápegység	12 V 3 A
Beállítási szög	0°	Adat interfész	HDMI
Fázistartomány	2π@1064nm Max：3,5π@1064nm	Spektrális tartomány	1000 nm-1100 nm
Optikai hatékonyság	95%±5% 1064 nm-en	Válaszidő	≤30 ms
Gamma-korrekció	támogatás	Fáziskorrekció	Támogatás (1064 nm)
linearitás	≥99%	Fázisstabilitás (RMS)
Sebzési küszöb	Folyamatos: ≤1000W/cm2 (vízhűtés nélkül) Pulzus: Csúcsteljesítmény-sűrűség (10 GW/cm2) Átlagos teljesítménysűrűség (100W/cm2) @1064nm/290fs/200KHz (vízhűtéses)	Diffrakciós hatékonyság	1064 nm 56% L8-on 72% @ L16 85% L32-nél

Írd a végére:

A lézeres megmunkálási technológia további fejlődésével és a nagy pontosságú és nagy hatékonyságú feldolgozási indikátorok iránti növekvő igénygel a térbeli fénymodulátor, mint kulcsfontosságú optikai komponens, fontos szerepet fog játszani. A térbeli fénymodulátor alkalmazása a lézeres megmunkálásban nem korlátozódik egyetlen műszaki területre, széles körű alkalmazási kilátásai számos területet lefednek, mint például az ipari gyártás, a tudományos kutatás, az optoelektronika stb., a lézeres megmunkálási technológia fejlődéséhez és innovációjához erős támogatást és hajtóerőt biztosít, és várhatóan a lézeres megmunkálási technológiát egy fejlettebb, összetettebb irányba tereli.