โครงสร้างจุลภาคแบบผสมเป็นระยะบนฟิล์มโครเมียมถูกเตรียมโดยใช้เทคนิคเลเซอร์นาโนวินาทีที่ช่วยด้วย SLM

26 กันยายน 2567

ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่เป็นส่วนประกอบแบบไดนามิกที่สามารถเปลี่ยนแอมพลิจูด เฟส และสถานะโพลาไรเซชันของแสงตกกระทบแบบเรียลไทม์ภายใต้การควบคุมของสัญญาณภายนอก การประยุกต์ใช้ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่ในการประมวลผลเลเซอร์สามารถทำให้เกิดการสร้างลำแสงแบบไดนามิกได้ และมีข้อดีคือสามารถตั้งโปรแกรมได้ ควบคุมง่าย ผสานรวมได้ง่าย การสูญเสียต่ำ และความถี่การรีเฟรชสูง นอกจากนี้ ด้วยการปรับปรุงเกณฑ์ความเสียหายของตัวปรับแสงเชิงพื้นที่ การประยุกต์ใช้ในการประมวลผลเลเซอร์ก็ขยายตัวมากขึ้น เช่น การผลิตโครงสร้างเมตาแมทีเรียล ไมโครฟลูอิดิกส์ การพิมพ์ 3 มิติ การจัดเก็บแสง การปรับเปลี่ยนพื้นผิววัสดุ จุดควอนตัม และสาขาอื่นๆ

ข้อมูลวิทยานิพนธ์:

ในบทความนี้ ได้นำเสนอเทคนิคที่มีประสิทธิภาพสำหรับการเตรียมโครงสร้างคาบไฮบริดที่แตกต่างกันบนฟิล์มโครเมียม (Cr) ที่มีความหนาต่างกัน โดยใช้เลเซอร์นาโนวินาทีขนาด 1064 นาโนเมตร ที่มีตัวปรับแสงเชิงพื้นที่ (SLM) เป็นตัวช่วย สำหรับฟิล์มโครเมียมขนาด 1000 นาโนเมตร สามารถเตรียม MG-LIPS แบบสองสเกลปกติได้โดยการผสานโครงสร้างกราติงมอดูเลชันคาบ (MG) ที่สร้างโดย SLM เข้ากับโครงสร้างพื้นผิวคาบเหนี่ยวนำด้วยเลเซอร์ (LIPSS) ซึ่งลักษณะทางสัณฐานวิทยาถูกควบคุมโดยฟลักซ์เลเซอร์ จำนวนพัลส์ที่เกิดผล และคาบ MG เนื่องจากผลการเลี้ยวเบนของ MG และ LIPSS พื้นผิวของรูปแบบ MG-LIPSS จึงแสดงสีโครงสร้างแบบแอนไอโซทรอปิกที่สดใส เนื่องจากความเค้นทางความร้อนที่รุนแรงกว่าของฟิล์มที่บางกว่าเมื่อเทียบกับ MG-LIPss จึงเกิดโครงสร้างคาบที่ซับซ้อนซึ่งประกอบด้วย MG และรอยแตก (MGC) บนฟิล์มโครเมียมขนาด 200 นาโนเมตร แม้ว่ารอยแตกของ MGC จะกระจายตัวแบบสุ่ม แต่ MGC มีลักษณะลำดับยาวของค่าการส่งผ่านที่แน่นอน และสามารถใช้เป็นตะแกรงส่งผ่านที่มีผลต่อการเลี้ยวเบน ผลการทดลองเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าการประมวลผลด้วยเลเซอร์แบบปรับสนามแสงโดยใช้ SLM เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพ ประหยัด และควบคุมได้สำหรับการเตรียมโครงสร้างคาบพื้นที่ขนาดใหญ่บนฟิล์มโครเมียม นอกจากนี้ การเปลี่ยนแปลงความหนาของฟิล์มยังสามารถนำไปใช้เพื่อศึกษาโครงสร้างจุลภาคแบบไฮบริดที่มีคุณสมบัติเฉพาะสำหรับการใช้งานที่แตกต่างกัน เช่น ส่วนประกอบออปติคัล และมาตรการป้องกันการปลอมแปลง

ต่อไปนี้เป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการทดลองและผล:

แหล่งกำเนิดแสงใช้เลเซอร์นาโนวินาทีเชิงพาณิชย์ ซึ่งให้เลเซอร์พัลส์โพลาไรซ์เชิงเส้นขนาด 1064 นาโนเมตร 50 นาโนวินาที ความถี่การทำซ้ำถูกตั้งค่าไว้ที่ 3 กิโลเฮิรตซ์ในระหว่างการทดลอง และกำลังขับสูงสุดของเลเซอร์ที่สอดคล้องกันคือ 0.45 วัตต์ แสงที่ปล่อยออกมาจากเลเซอร์จะผ่านกระจกขยายลำแสง 4 เท่า ทำให้จุดแสงถูกเติมเต็มด้วยพื้นผิวเป้าหมายของวาล์วแสงคริสตัลเหลว ในการทดลองนี้ใช้ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่เฟส (FSLM-2K70-VIS) ขนาดพิกเซล 8 ไมโครเมตร และความละเอียด 1920×1080 พิกเซล หลังจากถูกปรับโดยตัวปรับแสงเชิงพื้นที่แล้ว มันจะทำงานบนตัวอย่างผ่านเลนส์ และกระบวนการประมวลผลจะถูกตรวจสอบแบบเรียลไทม์โดย CCD เพื่อให้แน่ใจว่าพื้นผิวตัวอย่างอยู่ในระนาบการประมวลผลเสมอ โฮโลแกรมนี้สร้างขึ้นโดยอัลกอริทึมของ Gerchberg Saxton

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

รูปที่ 2 สัณฐานวิทยาของฟิล์มบางโครเมียม 1000 นาโนเมตรที่ก่อตัวโดย MG-LIPSS ภายใต้ช่วงเวลาการปรับ Γ ที่แตกต่างกัน 4 ช่วง เมื่อฟลักซ์เลเซอร์เพิ่มขึ้น มาตราส่วน: 5 ไมโครเมตร

รูปที่ 3 สัณฐานวิทยา SEM ของ MG-LIPSS ที่เกิดขึ้นจากฟิล์ม (a)-(c) Cr 1000 นาโนเมตร ภายใต้หมายเลขพัลส์ที่มีประสิทธิภาพต่างกัน มาตราส่วน: 5 ไมโครเมตร

รูปที่ 4 (ก) 0.27J/cm² และ (จ) 0.32J/cm² สอดคล้องกับการวัด AFM ของโครงสร้าง MG-LIPSS ภายใต้การฉายรังสีเลเซอร์ที่แตกต่างกันตามลำดับ (ข) และ (ฉ) สอดคล้องกับการแปลงฟูริเยร์แบบเร็วสองมิติของภาพ SEM (ก) และ (จ) ตามลำดับ (ค) และ (ง) แผนภาพสองมิติของหน้าตัด LIPSS และ MG ที่สอดคล้องกับ (ก) MG-LIPss (ช) และ (ซ) เป็นแผนภาพสองมิติของหน้าตัด LIPSS และ MG ที่สอดคล้องกับ (จ) MG-LIPss มาตราส่วน: 5μm

รูปที่ 5 (ab) สเปกตรัมไมโครรามานของ MG-LIPSS ที่เตรียมด้วยฟลักซ์เลเซอร์ F สองชนิดที่ต่างกัน ณ ตำแหน่งต่างๆ (cf) ผล EDS ของ MG-LIPSS ที่เตรียมด้วยฟลักซ์เลเซอร์ F ต่างกัน (จุดรวบรวมแสดงด้วยสีแดงในรูป) มาตราส่วน: 5μm

รูปที่ 6 สัณฐานวิทยา SEM ของ MGC ที่เกิดขึ้นภายใต้สภาวะการประมวลผลที่แตกต่างกันสำหรับฟิล์ม Cr ที่ความยาวคลื่น 200 นาโนเมตร (a) Γ2 = 8 ไมโครเมตร, F = 0.16 จูล/ตารางเซนติเมตร (b) Γ3 = 9 ไมโครเมตร, F = 0.16 จูล/ตารางเซนติเมตร (c) Γ4 = 13 ไมโครเมตร, F = 0.16 จูล/ตารางเซนติเมตร (d) Γ4 = 13 ไมโครเมตร, F = 0.30 จูล/ตารางเซนติเมตร มาตราส่วน: 5 ไมโครเมตร

รูปที่ 7 สีโครงสร้างรุ้งของ MG-LIPSS (ก) แผนภาพการเลี้ยวเบนแสงสีขาวของโครงสร้างแบบผสมคาบของ MG-LIPSS ที่เกิดขึ้นบนฟิล์มโครเมียม 1000 นาโนเมตร โดย LIPSS และ MG ทำให้เกิดสีโครงสร้างรุ้งในสองทิศทางตั้งฉากตามลำดับ (ข) ลายอักษรจีน "มหาวิทยาลัยซุนยัตเซ็น" เคลือบด้วยโครเมียม 1000 นาโนเมตรบนแผ่นเวเฟอร์แก้วที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 100 มิลลิเมตร (ค) ตัวอย่างที่ผ่านการประมวลผลแล้ว (ง) และ (จ) ระบายสีลาย "มหาวิทยาลัยซุนยัตเซ็น" และลายมังกรตามลำดับ (ฉ) และ (ช) MG-LIPSS "3" คือสีที่แสดงถึงโครงสร้างรุ้งที่มุมมองต่างกัน มาตราส่วน: 5 มม.

พารามิเตอร์ของเครื่องปรับแสงเชิงพื้นที่ที่ใช้ในการทดลองนี้มีดังนี้:

หมายเลขรุ่น	FSLM-2K70-พี03	ประเภทการมอดูเลต	รูปแบบเฟส
ชนิดคริสตัลเหลว	ชนิดสะท้อนแสง	ระดับสีเทา	8 บิต 256 ระดับ
โหมดคริสตัลเหลว	กระทะ	โหมดการขับขี่	รูป
ปณิธาน	1920×1080	ขนาดพิกเซล	8.0ไมโครเมตร
ภูมิภาคที่มีผล	0.69 นิ้ว 15.36มม.×8.64มม.	ปัจจัยการเติม	87%
ความแบน-พีวี-	ก่อนการสอบเทียบ：5λ หลังการสอบเทียบ: 1λ	ความแบน(อาร์เอ็มเอส)	ก่อนการสอบเทียบ: 1/3λ หลังการสอบเทียบ: 1/10λ
ความถี่ในการรีเฟรช	60 เฮิรตซ์	เวลาตอบสนอง	≤30มิลลิวินาที
ประสิทธิภาพทางแสง	75%@1064nm	มุมของการจัดตำแหน่ง	0°
ช่วงเฟส	2π@1064nm สูงสุด: 2.1π@1064nm	ช่วงสเปกตรัม	450 นาโนเมตร-1100 นาโนเมตร
แกมมา ปรับ	สนับสนุน	การแก้ไขเฟส	รองรับ (808nm/1064nm)
ความเป็นเส้นตรง	≥99%	เสถียรภาพเฟส-อาร์เอ็มเอส-	≤0.13π
เกณฑ์ความเสียหาย	ต่อเนื่อง: ≤20W/cm2 (ไม่มีการระบายความร้อนด้วยน้ำ) ≤100W/cm2 (ระบายความร้อนด้วยน้ำ)	ประสิทธิภาพการเลี้ยวเบน	1064 นาโนเมตร 60%@ L8 66%@ L16 75%@ L32

เพื่อขยายการประยุกต์ใช้ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่ในอุตสาหกรรมให้กว้างขวางยิ่งขึ้น จึงได้พัฒนาเอกสารนี้ขึ้นตัวปรับแสงเชิงพื้นที่พื้นผิวเป้าหมายขนาดใหญ่ที่สร้างความเสียหายสูง:

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

เขียนไว้ตอนท้ายว่า:

ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีการประมวลผลด้วยเลเซอร์และความต้องการตัวบ่งชี้การประมวลผลที่มีความแม่นยำสูงและประสิทธิภาพสูงที่เพิ่มขึ้น ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่ ซึ่งเป็นส่วนประกอบทางแสงหลักจะมีบทบาทสำคัญ การประยุกต์ใช้ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่ในการประมวลผลด้วยเลเซอร์ไม่ได้จำกัดอยู่เพียงสาขาเทคนิคเดียวเท่านั้น แต่ยังครอบคลุมถึงหลายสาขา เช่น การผลิตเชิงอุตสาหกรรม การวิจัยทางวิทยาศาสตร์ ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ เป็นต้น ความก้าวหน้าและนวัตกรรมของเทคโนโลยีการประมวลผลด้วยเลเซอร์จึงได้รับการสนับสนุนและผลักดันอย่างแข็งแกร่ง คาดว่าจะช่วยส่งเสริมเทคโนโลยีการประมวลผลด้วยเลเซอร์ไปสู่ทิศทางที่ก้าวหน้าและซับซ้อนยิ่งขึ้น