โครงสร้างจุลภาคแบบผสมเป็นระยะบนฟิล์มโครเมียมถูกเตรียมโดยใช้เทคนิคเลเซอร์นาโนวินาทีที่ช่วยด้วย SLM

26-09-2024

ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่เป็นส่วนประกอบแบบไดนามิกที่สามารถเปลี่ยนแอมพลิจูด เฟส และสถานะโพลาไรเซชันของแสงตกกระทบแบบเรียลไทม์ภายใต้การควบคุมของสัญญาณภายนอก การใช้งานตัวปรับแสงเชิงพื้นที่ในการประมวลผลด้วยเลเซอร์สามารถทำให้เกิดการสร้างรูปร่างลำแสงแบบไดนามิกได้ และมีข้อดีคือสามารถตั้งโปรแกรมได้ ควบคุมง่าย ผสานรวมง่าย การสูญเสียต่ำ และความถี่การรีเฟรชสูง และด้วยการปรับปรุงเกณฑ์ความเสียหายของตัวปรับแสงเชิงพื้นที่ สาขาการใช้งานของการประมวลผลด้วยเลเซอร์ก็ขยายตัวเช่นกัน เช่น การผลิตโครงสร้างเมตาแมทีเรียล ไมโครฟลูอิดิก การพิมพ์ 3 มิติ การจัดเก็บแบบออปติคัล การปรับเปลี่ยนพื้นผิววัสดุ จุดควอนตัม และสาขาอื่นๆ

ข้อมูลวิทยานิพนธ์:

ในบทความนี้ ได้นำเสนอเทคนิคที่มีประสิทธิภาพในการเตรียมโครงสร้างช่วงไฮบริดที่แตกต่างกันบนฟิล์มโครเมียม (Cr) ที่มีความหนาต่างกันโดยใช้เลเซอร์นาโนวินาที 1064 นาโนเมตรที่ควบคุมโดยตัวปรับแสงเชิงพื้นที่ (SLM) สำหรับฟิล์ม Cr 1000 นาโนเมตร สามารถเตรียม MG-LIPS แบบสองสเกลปกติได้โดยการรวมโครงตาข่ายมอดูเลชันเป็นระยะ (MG) ที่สร้างโดย SLM เข้ากับโครงสร้างพื้นผิวเป็นระยะเหนี่ยวนำด้วยเลเซอร์ (LIPSS) ซึ่งลักษณะทางสัณฐานวิทยานั้นควบคุมโดยฟลักซ์เลเซอร์ จำนวนพัลส์ที่มีประสิทธิภาพ และช่วง MG เนื่องจากเอฟเฟกต์การเลี้ยวเบนของ MG และ LIPSS พื้นผิวของรูปแบบ MG-LIPSS จึงแสดงสีโครงสร้างแอนไอโซทรอปิกที่สดใส เนื่องจากความเครียดทางความร้อนที่สำคัญกว่าของฟิล์มที่บางกว่าเมื่อเทียบกับ MG-LIPss จึงเกิดโครงสร้างเป็นระยะที่ซับซ้อนซึ่งประกอบด้วย MG และรอยแตกร้าว (MGC) บนฟิล์ม Cr 200 นาโนเมตร แม้ว่ารอยแตกร้าวของ MGC จะกระจายตัวแบบสุ่ม แต่ MGC ก็มีลักษณะลำดับยาวของการส่งผ่านแสงบางอย่าง และสามารถใช้เป็นช่องส่งผ่านที่มีเอฟเฟกต์การเลี้ยวเบน ผลลัพธ์เหล่านี้แสดงให้เห็นว่าการประมวลผลด้วยเลเซอร์แบบปรับสนามแสงตาม SLM มอบวิธีการที่มีประสิทธิภาพ ประหยัด และควบคุมได้สำหรับการเตรียมโครงสร้างเป็นระยะพื้นที่ขนาดใหญ่บนฟิล์ม Cr นอกจากนี้ การเปลี่ยนแปลงความหนาของฟิล์มยังสามารถใช้เพื่อสำรวจโครงสร้างจุลภาคแบบไฮบริดที่มีคุณสมบัติเฉพาะสำหรับการใช้งานที่แตกต่างกัน เช่น ส่วนประกอบออปติกและมาตรการป้องกันการปลอมแปลง

ต่อไปนี้เป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการทดลองและผลการทดลอง:

แหล่งกำเนิดแสงใช้เลเซอร์นาโนวินาทีเชิงพาณิชย์ซึ่งให้เลเซอร์พัลส์โพลาไรเซชันเชิงเส้น 1064 นาโนเมตร 50 นาโนวินาที ความถี่การทำซ้ำถูกตั้งไว้ที่ 3 กิโลเฮิรตซ์ระหว่างการทดลอง และกำลังส่งออกสูงสุดของเลเซอร์ที่สอดคล้องกันคือ 0.45 วัตต์ แสงที่ปล่อยออกมาจากเลเซอร์จะผ่านกระจกขยายลำแสง 4 เท่า ทำให้จุดแสงถูกเติมเต็มด้วยพื้นผิวเป้าหมายวาล์วแสงคริสตัลเหลว ในการทดลองนี้ใช้ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่เฟส (FSLM-2K70-VIS) ขนาดพิกเซลคือ 8 ไมโครเมตร และความละเอียดคือ 1920×1080 หลังจากถูกปรับโดยตัวปรับแสงเชิงพื้นที่แล้ว จะมีผลกับตัวอย่างผ่านเลนส์ และกระบวนการประมวลผลจะถูกตรวจสอบแบบเรียลไทม์โดย CCD เพื่อให้แน่ใจว่าพื้นผิวตัวอย่างจะอยู่ในระนาบการประมวลผลเสมอ โฮโลแกรมสร้างขึ้นโดยอัลกอริทึมของ Gerchberg Saxton

รูปที่ 1 (ก) อุปกรณ์ทดลอง (ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่เฟส รุ่น FSLM-2K70-VIS) (ข) ลำแสงดั้งเดิมและตัวปรับแสง

รูปที่ 2 สัณฐานวิทยาของฟิล์มบาง 1000 นาโนเมตรโครเมียมที่เกิดจาก MG-LIPSS ภายใต้ช่วงเวลาปรับเปลี่ยน 4 ช่วงที่แตกต่างกัน Γ เมื่อฟลักซ์เลเซอร์เพิ่มขึ้น มาตราส่วน: 5 ไมโครเมตร

รูปที่ 3 สัณฐานวิทยา SEM ของ MG-LIPSS ที่เกิดขึ้นจากฟิล์ม 1000 นาโนเมตร Cr ภายใต้จำนวนพัลส์ที่มีประสิทธิภาพต่างกัน มาตราส่วน: 5 ไมโครเมตร

รูปที่ 4 (a)0.27J/cm² และ (e)0.32J /cm² สอดคล้องกับการวัด AFM ของโครงสร้าง MG-LIPSS ภายใต้การฉายแสงเลเซอร์ที่แตกต่างกันตามลำดับ (b) และ (f) สอดคล้องกับการแปลงฟูเรียร์เร็วสองมิติของภาพ SEM (a) และ (e) ตามลำดับ (c) และ (d) ไดอะแกรมสองมิติของหน้าตัด LIPSS และ MG ที่สอดคล้องกับ (a) MG-LIPss (g) และ (h) เป็นไดอะแกรมสองมิติของหน้าตัด LIPSS และ MG ที่สอดคล้องกับ (e) MG-LIPss มาตราส่วน: 5μm

รูปที่ 5 (ab) สเปกตรัม MicroRaman ของ MG-LIPSS ที่เตรียมไว้ที่ฟลักซ์เลเซอร์ F สองแบบที่ตำแหน่งต่างกัน (cf) ผลลัพธ์ EDS ของ MG-LIPSS ที่เตรียมไว้ที่ฟลักซ์เลเซอร์ F ต่างกัน (จุดรวบรวมทำเครื่องหมายด้วยสีแดงในรูปภาพ) มาตราส่วน: 5μm

รูปที่ 6 สัณฐานวิทยาของ SEM ของ MGC ที่เกิดขึ้นภายใต้สภาวะการประมวลผลที่แตกต่างกันสำหรับฟิล์ม Cr ที่ 200 นาโนเมตร (ก) Γ2 = 8 μm, F = 0.16 J/cm² (ข) Γ3 = 9 μm, F = 0.16 J/cm² (ค) Γ4 = 13 μm, F = 0.16 J/cm² (ง) Γ4 = 13 μm, F = 0.30 J/cm² มาตราส่วน: 5 μm

รูปที่ 7 โครงสร้างสีรุ้งของ MG-LIPSS (a) แผนภาพการเลี้ยวเบนของแสงสีขาวของโครงสร้างแบบผสม MG-LIPSS ที่เกิดขึ้นบนฟิล์มโครเมียม 1000 นาโนเมตร โดยที่ LIPSS และ MG สร้างโครงสร้างสีรุ้งในสองทิศทางตั้งฉากตามลำดับ (b) ลายอักษรจีนของ "มหาวิทยาลัยซุน ยัตเซ็น" เคลือบด้วยโครเมียม 1000 นาโนเมตรบนเวเฟอร์แก้วที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 100 มม. (c) ตัวอย่างที่ผ่านการประมวลผลแล้ว (d) และ (e) ระบายสีลาย "มหาวิทยาลัยซุน ยัตเซ็น" และลายมังกรตามลำดับ (f) และ (g) MG-LIPSS "3" คือการแสดงสีต่างๆ ของโครงสร้างสีรุ้งในมุมมองที่แตกต่างกัน มาตราส่วน: 5 มม.

พารามิเตอร์ของตัวปรับแสงเชิงพื้นที่ที่ใช้ในการทดลองนี้มีดังนี้:

หมายเลขรุ่น	FSLM-2K70-P03	ประเภทการมอดูเลชั่น	รูปแบบเฟส
ชนิดคริสตัลเหลว	ชนิดสะท้อนแสง	ระดับสีเทา	8 บิต 256 ระดับ
โหมดคริสตัลเหลว	กระทะ	โหมดการขับขี่	รูป
ปณิธาน	1920×1080	ขนาดพิกเซล	8.0ไมโครเมตร
พื้นที่ที่มีผล	0.69 นิ้ว 15.36มม.×8.64มม.	ปัจจัยการเติม	87%
ความแบน-พีวี-	ก่อนการสอบเทียบ：5λ หลังการสอบเทียบ：1λ	ความแบน(อาร์เอ็มเอส)	ก่อนการสอบเทียบ: 1/3λ หลังการสอบเทียบ: 1/10λ
ความถี่ในการรีเฟรช	60เฮิรตซ์	เวลาตอบสนอง	≤30มิลลิวินาที
ประสิทธิภาพทางแสง	75%@1064นาโนเมตร	มุมของการจัดตำแหน่ง	0°
ช่วงเฟส	2π@1064นาโนเมตร สูงสุด: 2.1π@1064nm	ช่วงสเปกตรัม	450นาโนเมตร-1100นาโนเมตร
แกมมา ปรับ	สนับสนุน	การแก้ไขเฟส	รองรับ (808nm/1064nm)
ความเป็นเส้นตรง	≥99%	ความเสถียรของเฟส-อาร์เอ็มเอส-	≤0.13π
เกณฑ์ความเสียหาย	ต่อเนื่อง: ≤20W/cm2(ไม่มีการระบายความร้อนด้วยน้ำ) ≤100W/cm2 (ระบายความร้อนด้วยน้ำ)	ประสิทธิภาพการเลี้ยวเบน	1064นาโนเมตร 60%@L8 66%@L16 75%@L32

เพื่อขยายการประยุกต์ใช้ตัวควบคุมแสงเชิงพื้นที่ในอุตสาหกรรมให้กว้างขวางยิ่งขึ้น จึงได้พัฒนาเอกสารฉบับนี้ขึ้นความเสียหายสูง, ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่พื้นผิวเป้าหมายขนาดใหญ่สี่เหลี่ยม:

หมายเลขรุ่น	FSLM-2K73-P03HP	ประเภทการมอดูเลชั่น	รูปแบบเฟส
ชนิดคริสตัลเหลว	ชนิดสะท้อนแสง	ระดับสีเทา	8 หรือ 10 บิตเสริม
โหมดคริสตัลเหลว	กระทะ	โหมดการขับขี่	รูป
ปณิธาน	2048×2048	ขนาดพิกเซล	6.4ไมโครเมตร
พื้นที่ที่มีผล	0.73" 13.1มม.×13.1มม.	ปัจจัยการเติม	93%
ความถี่ในการรีเฟรช	60 เฮิรตซ์（8 บิต）*	แหล่งจ่ายไฟฟ้าอินพุต	12โวลต์ 3เอ
มุมของการจัดตำแหน่ง	0°	อินเทอร์เฟซข้อมูล	HDMI
ช่วงเฟส	2π@1064นาโนเมตร สูงสุด: 3.5π@1064nm	ช่วงสเปกตรัม	1000นาโนเมตร-1100นาโนเมตร
ประสิทธิภาพทางแสง	95%±5%@1064nm	เวลาตอบสนอง	≤30มิลลิวินาที
การแก้ไขแกมมา	สนับสนุน	การแก้ไขเฟส	รองรับ (1064nm)
ความเป็นเส้นตรง	≥99%	เสถียรภาพเฟส (RMS)	＜0.03π
เกณฑ์ความเสียหาย	ต่อเนื่อง: ≤1000W/cm2 (ไม่มีการระบายความร้อนด้วยน้ำ) ชีพจร: ความหนาแน่นของพลังงานสูงสุด (10GW/cm2) ความหนาแน่นพลังงานเฉลี่ย (100W/cm2) @1064nm/290fs/200KHz (ระบายความร้อนด้วยน้ำ)	ประสิทธิภาพการเลี้ยวเบน	1064นาโนเมตร 56%@L8 72%@ L16 85%@L32

เขียนตอนท้าย:

ด้วยการพัฒนาต่อไปของเทคโนโลยีการประมวลผลด้วยเลเซอร์และความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับตัวบ่งชี้การประมวลผลที่มีความแม่นยำสูงและประสิทธิภาพสูง ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่ซึ่งเป็นส่วนประกอบออปติกหลักจะมีบทบาทสำคัญ การประยุกต์ใช้ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่ในการประมวลผลด้วยเลเซอร์ไม่ได้จำกัดอยู่แค่สาขาเทคนิคเดียวเท่านั้น แต่ยังมีแนวโน้มการใช้งานที่กว้างขวางครอบคลุมหลายสาขา เช่น การผลิตในอุตสาหกรรม การวิจัยทางวิทยาศาสตร์ ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ เป็นต้น สำหรับความก้าวหน้าและนวัตกรรมของเทคโนโลยีการประมวลผลด้วยเลเซอร์นั้นให้การสนับสนุนและแรงผลักดันที่แข็งแกร่ง คาดว่าจะส่งเสริมเทคโนโลยีการประมวลผลด้วยเลเซอร์ไปสู่ทิศทางที่ก้าวหน้าและซับซ้อนยิ่งขึ้น