ქრომის ფენებზე ჰიბრიდული პერიოდული მიკროსტრუქტურები მომზადდა SLM-ის დახმარებით ნანოწამიანი ლაზერული ტექნიკით.

2024-09-26

სივრცითი სინათლის მოდულატორი არის დინამიური კომპონენტი, რომელსაც შეუძლია შეცვალოს დაცემული სინათლის ამპლიტუდა, ფაზა და პოლარიზაციის მდგომარეობა რეალურ დროში გარე სიგნალის კონტროლის ქვეშ. სივრცითი სინათლის მოდულატორის გამოყენება ლაზერულ დამუშავებაში შესაძლებელს ხდის დინამიური სხივის ფორმირებას და აქვს პროგრამირებადი, მარტივი მართვის, მარტივი ინტეგრირების, დაბალი დანაკარგების და მაღალი განახლების სიხშირის უპირატესობები. სივრცითი სინათლის მოდულატორების დაზიანების ზღურბლის გაუმჯობესებასთან ერთად, ლაზერული დამუშავების გამოყენების სფეროებიც ფართოვდება, როგორიცაა მეტამასალის სტრუქტურის წარმოება, მიკროფლუიდური, 3D ბეჭდვა, ოპტიკური შენახვა, მასალის ზედაპირის მოდიფიკაცია, კვანტური წერტილები და სხვა სფეროები.

დისერტაციის ინფორმაცია:

ამ ნაშრომში წარმოდგენილია ქრომის (Cr) სხვადასხვა სისქის ფენებზე სხვადასხვა ჰიბრიდული პერიოდის სტრუქტურების მომზადების ეფექტური ტექნიკა სივრცითი სინათლის მოდულატორის (SLM) დახმარებით 1064 ნმ ნანოწამიანი ლაზერის გამოყენებით. 1000 ნმ Cr ფენებისთვის, რეგულარული ორმასშტაბიანი MG-LIPS-ების მომზადება შესაძლებელია SLM-ის მიერ გენერირებული პერიოდული მოდულაციის ბადის (MG) ლაზერით ინდუცირებული პერიოდული ზედაპირის სტრუქტურის (LIPSS) შერწყმით, რომლის მორფოლოგიური მახასიათებლები კონტროლდება ლაზერული ნაკადით, ეფექტური იმპულსების რაოდენობით და MG პერიოდით. MG-სა და LIPSS-ის დიფრაქციული ეფექტის გამო, MG-LIPSS ნიმუშის ზედაპირი ავლენს ნათელ ანიზოტროპულ სტრუქტურულ ფერებს. MG-LIPss-თან შედარებით უფრო თხელი ფენების უფრო მნიშვნელოვანი თერმული სტრესის გამო, 200 ნმ Cr ფენებზე წარმოიქმნება რთული პერიოდული სტრუქტურა, რომელიც შედგება MG-სა და ბზარებისგან (MGC). მიუხედავად იმისა, რომ MGC-ის ბზარები შემთხვევით არის განაწილებული, MGC-ს აქვს გარკვეული გამტარობის გრძელი რიგის მახასიათებელი და შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც გამტარობის ბადე დიფრაქციული ეფექტით. ეს შედეგები აჩვენებს, რომ SLM-ზე დაფუძნებული სინათლის ველის მოდულირებული ლაზერული დამუშავება უზრუნველყოფს ეფექტურ, ეკონომიურ და კონტროლირებად მეთოდს Cr ფენებზე დიდი ფართობის პერიოდული სტრუქტურების მოსამზადებლად. გარდა ამისა, ფენის სისქის ცვლილებები შეიძლება გამოყენებულ იქნას ჰიბრიდული მიკროსტრუქტურის შესასწავლად სპეციფიკური თვისებებით სხვადასხვა გამოყენებისთვის, როგორიცაა ოპტიკური კომპონენტები და გაყალბების საწინააღმდეგო ზომები.

შემდეგი ექსპერიმენტული პროცესისა და შედეგების ნაწილია:

სინათლის წყარო იყენებს კომერციულ ნანოწამიან ლაზერს, რომელიც უზრუნველყოფს 1064 ნმ, 50 ns წრფივი პოლარიზაციის პულსურ ლაზერს. ექსპერიმენტის დროს გამეორების სიხშირე დაყენებულია 3 კჰც-ზე და ლაზერის შესაბამისი მაქსიმალური გამომავალი სიმძლავრეა 0.45 ვატი. ლაზერიდან გამოსხივებული სინათლე გადის 4× სხივის გაფართოების სარკეში, ისე, რომ სინათლის ლაქა ივსება თხევადკრისტალური სინათლის სარქვლის სამიზნე ზედაპირით. ექსპერიმენტში გამოყენებულია ფაზური სივრცითი სინათლის მოდულატორი (FSLM-2K70-VIS), პიქსელის ზომაა 8 მკმ, ხოლო გარჩევადობაა 1920×1080. სივრცითი სინათლის მოდულატორის მიერ მოდულირების შემდეგ, ის ნიმუშზე მოქმედებს ლინზის მეშვეობით და დამუშავების პროცესი რეალურ დროში კონტროლდება CCD-ით, რათა უზრუნველყოფილი იყოს, რომ ნიმუშის ზედაპირი ყოველთვის დამუშავების სიბრტყეში იყოს. ჰოლოგრამა გენერირებულია Gerchberg Saxton-ის ალგორითმით.

სურ. 1 (ა) ექსპერიმენტული მოწყობილობა (ფაზური სივრცითი სინათლის მოდულატორი, მოდელი: FSLM-2K70-VIS); (ბ) ორიგინალური და მოდულირებული სხივები.

სურ. 2. MG-LIPSS-ით წარმოქმნილი 1000 ნმკრ თხელი ფენების ელექტრონული ელექტრონული მიკროსკოპის მორფოლოგია 4 სხვადასხვა მოდულაციის პერიოდის Γ ქვეშ, ლაზერული ნაკადის ზრდისას. მასშტაბი: 5μm.

სურ. 3. (a)-(c) 1000nmCr აპკებით წარმოქმნილი MG-LIPSS-ის ელექტრომაგნიტური ენზიმის მორფოლოგია სხვადასხვა ეფექტური იმპულსების რაოდენობის პირობებში. მასშტაბი: 5μm.

ნახ. 4 (ა) 0.27 ჯ/სმ² და (ე) 0.32 ჯ/სმ² შეესაბამება MG-LIPSS სტრუქტურების AFM გაზომვებს სხვადასხვა ლაზერული დასხივების ქვეშ, შესაბამისად. (ბ) და (ვ) შეესაბამება SEM სურათების ორგანზომილებიან სწრაფ ფურიეს გარდაქმნებს, შესაბამისად. (ა) და (ე). (გ) და (დ) LIPSS და MG განივი კვეთების ორგანზომილებიანი დიაგრამები, რომლებიც შეესაბამება (ა) MG-LIPss-ს. (ზ) და (თ) წარმოადგენს LIPSS და MG განივი კვეთების ორგანზომილებიან დიაგრამებს, რომლებიც შეესაბამება (ე) MG-LIPss-ს. მასშტაბი: 5μm.

სურათი 5 (ab) MG-LIPSS-ის მიკრორამანის სპექტრები, მომზადებული ორ სხვადასხვა ლაზერულ ნაკადზე F სხვადასხვა ადგილას. (cf) MG-LIPSS-ის EDS შედეგები, მომზადებული სხვადასხვა ლაზერულ ნაკადზე F (შეგროვების წერტილები ნახაზზე წითლად არის მონიშნული). მასშტაბი: 5μm.

სურ. 6. 200 ნმ-ზე Cr აპკის სხვადასხვა დამუშავების პირობებში წარმოქმნილი MGC-ის SEM მორფოლოგია. (ა) Γ2 = 8 μm, F = 0.16 J/cm². (ბ) Γ3 = 9 μm, F = 0.16 J/cm². (გ) Γ4 = 13 μm, F = 0.16 J/cm². (დ) Γ4 = 13 μm, F = 0.30 J/cm². მასშტაბი: 5 μm.

სურათი 7 MG-LIPSS-ის ცისარტყელას სტრუქტურის ფერი. (ა) MG-LIPSS-ის შერეული პერიოდული სტრუქტურის თეთრი სინათლის დიფრაქციული დიაგრამა, რომელიც ჩამოყალიბებულია 1000 ნმ-კრის ფირზე, სადაც LIPSS და MG წარმოქმნიან ცისარტყელას სტრუქტურის ფერებს, შესაბამისად, ორი ორთოგონალური მიმართულებით. (ბ) „სუნ იატსენის უნივერსიტეტის“ ჩინური იეროგლიფების ნიმუში დაფარულია 1000 ნმ-კრინით 100 მმ დიამეტრის მინის ვაფლზე. (გ) დამუშავებული ნიმუშები. (დ) და (ე) შესაბამისად, შეღებილია „სუნ იატსენის უნივერსიტეტის“ ნიმუში და დრაკონის ნიმუში. (ვ) და (ზ) MG-LIPSS „3“ წარმოადგენს ცისარტყელას სტრუქტურის ფერების სხვადასხვა წარმოდგენას სხვადასხვა ხედვის კუთხით. მასშტაბი: 5 მმ.

ამ ექსპერიმენტში გამოყენებული სივრცითი სინათლის მოდულატორის პარამეტრები შემდეგია:

მოდელის ნომერი	FSLM-2K70-P03	მოდულაციის ტიპი	ფაზის ნიმუში
თხევადი კრისტალური ტიპი	ამრეკლავი ტიპი	ნაცრისფერი დონე	8 ბიტი, 256 დონე
თხევადი კრისტალური რეჟიმი	პანელი	მართვის რეჟიმი	ფიგურა
გარჩევადობა	1920×1080	პიქსელის ზომა	8.0 მკმ
ეფექტური რეგიონი	0.69" 15.36 მმ × 8.64 მმ	შევსების ფაქტორი	87%
სიბრტყე（PV)	კალიბრაციამდე: 5λ კალიბრაციის შემდეგ: 1λ	სიბრტყე(RMS)	კალიბრაციამდე: 1/3λ კალიბრაციის შემდეგ: 1/10λ
განახლების სიხშირე	60 ჰერცი	რეაგირების დრო	≤30 მილიწამი
ოპტიკური ეფექტურობა	75% @1064nm	გასწორების კუთხე	0°
ფაზის დიაპაზონი	2π@1064nm მაქს: 2.1π@1064nm	სპექტრული დიაპაზონი	450 ნმ-1100 ნმ
გამა კორექტირება	მხარდაჭერა	ფაზის კორექცია	მხარდაჭერა (808nm/1064nm)
წრფივობა	≥99%	ფაზის სტაბილურობა（RMS)	≤0.13π
დაზიანების ზღვარი	უწყვეტი: ≤20W/cm2 (წყლით გაგრილების გარეშე) ≤100W/cm2 (წყლით გაგრილებადი)	დიფრაქციის ეფექტურობა	1064 ნმ 60% @ L8 66% @ L16 75% @ L32

სივრცითი სინათლის მოდულატორის ინდუსტრიაში გამოყენების შემდგომი გაფართოების მიზნით, შემუშავებულია ეს ნაშრომი.მაღალი დაზიანების, კვადრატული დიდი სამიზნე ზედაპირის სივრცითი სინათლის მოდულატორი:

მოდელის ნომერი	FSLM-2K73-P03HP	მოდულაციის ტიპი	ფაზის ნიმუში
თხევადი კრისტალური ტიპი	ამრეკლავი ტიპი	ნაცრისფერი დონე	8 ან 10 ბიტი (არჩევითი)
თხევადი კრისტალური რეჟიმი	პანელი	მართვის რეჟიმი	ფიგურა
გარჩევადობა	2048×2048	პიქსელის ზომა	6.4 მკმ
ეფექტური რეგიონი	0.73" 13.1 მმ × 13.1 მმ	შევსების ფაქტორი	93%
განახლების სიხშირე	60 ჰც (8 ბიტი)*	შეყვანის კვების წყარო	12 ვოლტი 3 ა
გასწორების კუთხე	0°	მონაცემთა ინტერფეისი	HDMI
ფაზის დიაპაზონი	2π@1064nm მაქს: 3.5π@1064nm	სპექტრული დიაპაზონი	1000 ნმ-1100 ნმ
ოპტიკური ეფექტურობა	95%±5% @1064nm	რეაგირების დრო	≤30 მილიწამი
გამა კორექცია	მხარდაჭერა	ფაზის კორექცია	მხარდაჭერა (1064nm)
წრფივობა	≥99%	ფაზის სტაბილურობა (RMS)
დაზიანების ზღვარი	უწყვეტი: ≤1000W/cm2 (წყლის გაგრილების გარეშე) პულსი: პიკური სიმძლავრის სიმკვრივე (10 გვტ/სმ2) საშუალო სიმძლავრის სიმკვრივე (100W/cm2) @1064nm/290fs/200KHz (წყლით გაგრილებადი)	დიფრაქციის ეფექტურობა	1064 ნმ 56% @ L8 72% @ L16 85% @ L32

ბოლოს დაწერეთ:

ლაზერული დამუშავების ტექნოლოგიის შემდგომი განვითარებისა და მაღალი სიზუსტისა და ეფექტურობის დამუშავების ინდიკატორების მზარდი მოთხოვნის გათვალისწინებით, სივრცითი სინათლის მოდულატორი, როგორც ძირითადი ოპტიკური კომპონენტი, მნიშვნელოვან როლს შეასრულებს. სივრცითი სინათლის მოდულატორის გამოყენება ლაზერულ დამუშავებაში არ შემოიფარგლება მხოლოდ ერთი ტექნიკური სფეროთი, მისი ფართო გამოყენების პერსპექტივები მოიცავს რიგ სფეროებს, როგორიცაა სამრეწველო წარმოება, სამეცნიერო კვლევა, ოპტოელექტრონიკა და ა.შ. ლაზერული დამუშავების ტექნოლოგიის განვითარებისა და ინოვაციისთვის ძლიერ მხარდაჭერას და მამოძრავებელ ძალას წარმოადგენს, მოსალოდნელია, რომ ლაზერული დამუშავების ტექნოლოგია უფრო მოწინავე, უფრო რთული მიმართულებით წაიყვანს.