Hybride periodieke microstructuren op chroomfilms werden bereid met behulp van SLM-ondersteunde nanoseconde lasertechniek

2024-09-26

Ruimtelijke lichtmodulatoren zijn dynamische componenten die de amplitude, fase en polarisatietoestand van invallend licht in realtime kunnen veranderen onder invloed van een extern signaal. De toepassing van ruimtelijke lichtmodulatoren in laserbewerkingen maakt dynamische bundelvorming mogelijk en biedt de voordelen van programmeerbaarheid, eenvoudige bediening, eenvoudige integratie, laag verlies en een hoge verversingsfrequentie. Met de verbetering van de schadedrempel van ruimtelijke lichtmodulatoren breiden de toepassingsgebieden van laserbewerkingen zich ook uit, zoals de productie van metamateriaalstructuren, microfluïdica, 3D-printen, optische opslag, oppervlaktemodificatie van materialen, kwantumdots en andere gebieden.

Scriptie-informatie:

In dit artikel wordt een effectieve techniek gepresenteerd voor de vervaardiging van verschillende hybride periodestructuren op chroom (Cr) films met verschillende diktes met behulp van een 1064 nm nanosecondelaser, ondersteund door een ruimtelijke lichtmodulator (SLM). Voor 1000 nm Cr-films kunnen reguliere tweeschalige MG-LIPS'en worden vervaardigd door het door SLM gegenereerde periodieke modulatierooster (MG) te combineren met de lasergeïnduceerde periodieke oppervlaktestructuur (LIPSS), waarvan de morfologische kenmerken worden bepaald door de laserflux, het aantal effectieve pulsen en de MG-periode. Door het diffractie-effect van MG en LIPSS vertoont het oppervlak van het MG-LIPSS-patroon levendige anisotrope structurele kleuren. Door de hogere thermische spanning van de dunnere films in vergelijking met MG-LIPS'en, wordt een complexe periodieke structuur bestaande uit MG en scheuren (MGC) gevormd op de 200 nm Cr-films. Hoewel de scheuren in MGC willekeurig verdeeld zijn, heeft MGC een lange-ordekarakteristiek met een bepaalde transmissie en kan het worden gebruikt als een transmissierooster met diffractie-effect. Deze resultaten tonen aan dat de op SLM gebaseerde lichtveldgemoduleerde laserbewerking een efficiënte, economische en controleerbare methode biedt voor het vervaardigen van grote periodieke structuren op Cr-films. Bovendien kunnen veranderingen in filmdikte worden gebruikt om hybride microstructuren met specifieke eigenschappen te onderzoeken voor verschillende toepassingen, zoals optische componenten en namaakbestrijdingsmaatregelen.

Hieronder volgen enkele onderdelen van het experimentele proces en de resultaten:

De lichtbron maakt gebruik van een commerciële nanosecondelaser, die een lineaire polarisatiepulslaser van 1064 nm en 50 ns levert. De herhalingsfrequentie is tijdens het experiment ingesteld op 3 kHz en het bijbehorende maximale uitgangsvermogen van de laser is 0,45 W. Het door de laser uitgezonden licht passeert een 4×-uitbreidende spiegel, waardoor de lichtvlek wordt gevuld met het doeloppervlak van de vloeibaar-kristallichtbuis. De faseruimtelijke lichtmodulator (FSLM-2K70-VIS) wordt in het experiment gebruikt, de pixelgrootte is 8 µm en de resolutie is 1920 × 1080. Nadat deze is gemoduleerd door een ruimtelijke lichtmodulator, wordt deze via een lens op het monster aangebracht en wordt het verwerkingsproces in realtime bewaakt door een CCD om ervoor te zorgen dat het monsteroppervlak zich altijd in het verwerkingsvlak bevindt. Het hologram is gegenereerd met behulp van het Gerchberg Saxton-algoritme.

FIG. 1 (a) Experimenteel apparaat (fase-ruimtelijke lichtmodulator, model: FSLM-2K70-VIS); (b) Originele en gemoduleerde bundels.

FIG. 2 SEM-morfologie van 1000 nm Cr-dunne films gevormd door MG-LIPSS onder vier verschillende modulatieperioden Γ naarmate de laserflux toeneemt. Schaal: 5 μm.

FIG. 3 SEM-morfologie van MG-LIPSS gevormd door (a)-(c) 1000nmCr-films onder verschillende effectieve pulsnummers. Schaal: 5 μm.

FIG. 4 (a) 0,27 J/cm² en (e) 0,32 J/cm² komen overeen met AFM-metingen van MG-LIPSS-structuren onder verschillende laserbestraling. (b) en (f) komen overeen met tweedimensionale snelle Fourier-transformaties van SEM-afbeeldingen (a) en (e), respectievelijk. (c) en (d) Tweedimensionale diagrammen van LIPSS- en MG-doorsneden die overeenkomen met (a) MG-LIPss. (g) en (h) zijn tweedimensionale diagrammen van de LIPSS- en MG-doorsneden die overeenkomen met (e) MG-LIPss. Schaal: 5 μm.

Figuur 5 (ab) MicroRamanspectra van MG-LIPSS, bereid met twee verschillende laserfluxen F op verschillende locaties. (cf) EDS-resultaten van MG-LIPSS, bereid met verschillende laserfluxen F (de verzamelpunten zijn in de afbeelding rood gemarkeerd). Schaal: 5 μm.

FIG. 6 SEM-morfologie van MGC gevormd onder verschillende verwerkingsomstandigheden voor Cr-film bij 200 nm. (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. Schaal: 5 μm.

Figuur 7 Regenboogstructuurkleur van MG-LIPSS. (a) Witlichtdiffractiediagram van de gemengde periodieke structuur van MG-LIPSS, gevormd op een 1000 nm Cr-film, waarbij LIPSS en MG respectievelijk regenboogstructuren in twee orthogonale richtingen produceren. (b) Het Chinese karakterpatroon van "Sun Yat-sen University" is gecoat met 1000 nm Cr op een glazen wafer met een diameter van 100 mm. (c) Verwerkte monsters. (d) en (e) kleuren respectievelijk het patroon van "Sun Yat-sen University" en het drakenpatroon. (f) en (g) MG-LIPSS "3" zijn verschillende weergaven van de kleuren van de iriserende structuur vanuit verschillende kijkhoeken. Schaal: 5 mm.

De parameters van de ruimtelijke lichtmodulator die in dit experiment worden gebruikt, zijn als volgt:

Modelnummer	FSLM-2K70-P03	Modulatietype	Fasepatroon
Vloeibaar kristaltype	Reflecterend type	Grijsniveau	8 bits, 256 niveaus
Vloeibaar kristalmodus	PAN	Rijmodus	figuur
Oplossing	1920×1080	Pixelgrootte	8,0 μm
Effectieve regio	0,69" 15,36 mm × 8,64 mm	Vulfactor	87%
vlakheid（PV）	Voor kalibratie: 5λ Na kalibratie: 1λ	vlakheid(RMS)	Voor kalibratie: 1/3λ Na kalibratie: 1/10λ
Vernieuwingsfrequentie	60 Hz	Reactietijd	≤30 ms
Optische efficiëntie	75% bij 1064 nm	Uitlijningshoek	0°
Fasebereik	2π bij 1064 nm Maximaal: 2,1π bij 1064 nm	Spectraal bereik	450nm-1100nm
Gamma aanpassen	steun	Fasecorrectie	ondersteuning (808nm/1064nm)
lineariteit	≥99%	Fasestabiliteit（RMS）	≤0,13π
Schadegrens	Doorlopend: ≤20W/cm2 (geen waterkoeling) ≤100W/cm2 (watergekoeld)	Diffractie-efficiëntie	1064nm 60% bij L8 66% bij L16 75% bij L32

Om de toepassing van ruimtelijke lichtmodulatoren in de industrie verder uit te breiden, is dit artikel ontwikkeldRuimtelijke lichtmodulator met grote, vierkante doeloppervlakken en hoge schade:

Modelnummer	FSLM-2K73-P03HP	Modulatietype	Fasepatroon
Vloeibaar kristaltype	Reflecterend type	Grijsniveau	8 of 10 bits optioneel
Vloeibaar kristalmodus	PAN	Rijmodus	figuur
Oplossing	2048×2048	Pixelgrootte	6,4 μm
Effectieve regio	0,73" 13,1 mm × 13,1 mm	Vulfactor	93%
Vernieuwingsfrequentie	60 Hz (8 bit)*	Ingangsvoeding	12V 3A
Uitlijningshoek	0°	Gegevensinterface	HDMI
Fasebereik	2π bij 1064 nm Maximaal: 3,5π bij 1064 nm	Spectraal bereik	1000nm-1100nm
Optische efficiëntie	95%±5% bij 1064 nm	Reactietijd	≤30 ms
Gammacorrectie	steun	Fasecorrectie	Ondersteuning (1064nm)
lineariteit	≥99%	Fasestabiliteit (RMS)	＜0,03π
Schadegrens	Doorlopend: ≤1000W/cm2 (geen waterkoeling) Pols: Piekvermogensdichtheid (10 GW/cm2) Gemiddelde vermogensdichtheid (100 W/cm2) bij 1064 nm/290 fs/200 kHz (watergekoeld)	Diffractie-efficiëntie	1064nm 56% bij L8 72% bij L16 85% bij L32

Schrijf aan het einde:

Met de verdere ontwikkeling van laserbewerkingstechnologie en de toenemende vraag naar uiterst precieze en efficiënte verwerkingsindicatoren, zal de ruimtelijke lichtmodulator, als belangrijk optisch onderdeel, een belangrijke rol spelen. De toepassing van ruimtelijke lichtmodulatoren in laserbewerking beperkt zich niet tot één technisch gebied; de brede toepassingsmogelijkheden bestrijken een aantal gebieden, zoals industriële productie, wetenschappelijk onderzoek, opto-elektronica, enz. De vooruitgang en innovatie van laserbewerkingstechnologie bieden een sterke ondersteuning en drijvende kracht, en zullen naar verwachting de laserbewerkingstechnologie naar een meer geavanceerde en complexere richting stuwen.