西湖大學(xué)仇旻教授課題組成功開(kāi)發(fā)出一種新型的同質(zhì)碳化硅（4H-SiC）超透鏡，為解決高功率激光加工中的熱漂移問(wèn)題提供了全新的解決方案。
與傳統(tǒng)商用物鏡相比，該超透鏡不僅能夠?qū)崿F(xiàn)衍射極限的聚焦，還能在長(zhǎng)時(shí)間高功率激光輻照下保持性能穩(wěn)定，幾乎不受熱吸收的影響。
4H-SiC 材料因其優(yōu)異的特性備受關(guān)注：在光學(xué)方面，具有高透過(guò)率和高折射率；在熱管理方面，具有高熱導(dǎo)率；在機(jī)械性能方面，具備高硬度和抗劃傷能力。這些特性使其成為高性能光學(xué)器件和高功率器件的理想材料。
新型超透鏡利用 4H-SiC 材料的高熱導(dǎo)率和低損耗特性，有效抑制了熱漂移效應(yīng)，擺脫了對(duì)復(fù)雜冷卻系統(tǒng)的依賴(lài)。
這一技術(shù)突破不僅為高功率激光系統(tǒng)提供了關(guān)鍵支持，還為精密儀器制造、極地探險(xiǎn)、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)了新的可能性。尤其是在對(duì)加工精度和表面質(zhì)量要求極高的領(lǐng)域，4H-SiC 超透鏡可以發(fā)揮重要作用，為高功率激光應(yīng)用提供更加高效、緊湊的解決方案。
日前，相關(guān)論文以《4H-SiC 超透鏡：抑制高功率激光輻照的熱漂移效應(yīng)》（4H-SiC Metalens: Mitigating Thermal Drift Effect in High-Power Laser Irradiation）為題發(fā)表在Advanced Materials上 [1]。
浙江大學(xué)-西湖大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生陳博取和孫瀟雨是共同第一作者，西湖大學(xué)仇旻教授、季華實(shí)驗(yàn)室潘美妍副研究員、慕德微納（杭州）科技有限公司杜凱凱博士、西湖大學(xué)光電研究院趙鼎研究員擔(dān)任共同通訊作者。
解決高功率激光熱漂移問(wèn)題的新思路
在一次偶然的機(jī)會(huì)中，研究人員注意到企業(yè)生產(chǎn)中普遍存在一個(gè)棘手的問(wèn)題：在產(chǎn)線連續(xù)運(yùn)行的高功率激光精密切割過(guò)程中，物鏡由于持續(xù)的熱積累會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部光學(xué)元件發(fā)生形變，最終影響加工形貌和一致性。
這是因?yàn)楫?dāng)高強(qiáng)度激光照射在光學(xué)器件上時(shí)，材料會(huì)吸收部分光能并轉(zhuǎn)化為熱量。對(duì)于像氧化硅（石英）和氟化鈣（螢石）這類(lèi)熱導(dǎo)率較低的材料，熱量難以及時(shí)有效地傳導(dǎo)，進(jìn)而導(dǎo)致器件局部過(guò)熱。
為了解決這一問(wèn)題，課題組將透明的 4H-SiC 材料制備成一種特殊的超透鏡。該器件厚度比一元硬幣還薄，表面布滿(mǎn)了數(shù)以?xún)|計(jì)直徑約 200-400 納米、深度約 1 微米的納米柱。
“得益于碳化硅材料的高折射率，我們通過(guò)調(diào)控納米柱的尺寸，可以操控光的波前相位，從而實(shí)現(xiàn)與商用透鏡相當(dāng)?shù)木劢构δ?。結(jié)合材料本身優(yōu)異的熱導(dǎo)率，在更輕薄的器件中實(shí)現(xiàn)了更出色的散熱性能?！标惒┤〗榻B道。
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)異的熱穩(wěn)定性能
在實(shí)驗(yàn)中，研究人員模擬真實(shí)的工業(yè)場(chǎng)景，用高功率激光同時(shí)照射日本 Mitutoyo（三豐）公司的顯微鏡物鏡（業(yè)界領(lǐng)先的商用物鏡）和團(tuán)隊(duì)研發(fā)的 4H-SiC 超透鏡。
結(jié)果顯示，在 15 瓦、1030 納米脈沖激光連續(xù)照射 1 小時(shí)的條件下，4H-SiC 超透鏡的溫度僅上升了 3.2℃，焦點(diǎn)偏移量?jī)H為傳統(tǒng)物鏡的十分之一。
傳統(tǒng)的散熱方法通常是在物鏡外部加裝水冷環(huán)，通過(guò)循環(huán)流動(dòng)的冷卻水將器件吸收的熱量帶走。這種方案不僅復(fù)雜且成本高昂，還會(huì)顯著增加能耗和碳排放，并需要額外的系統(tǒng)來(lái)維持水冷裝置的運(yùn)行。
與之相比，該團(tuán)隊(duì)提出的解決方案無(wú)需任何散熱組件，只需將超透鏡安裝在鏡架上，利用高效的固體傳熱迅速導(dǎo)出熱量。這樣不僅可以持續(xù)穩(wěn)定地工作，還大大簡(jiǎn)化了使用和維護(hù)要求。
克服加工難題，邁向批量生產(chǎn)
碳化硅作為一種高硬度材料，莫氏硬度僅次于金剛石，加工難度極大。雖然它已在新能源汽車(chē)的高功率芯片中得到應(yīng)用，但二維的晶體管與三維結(jié)構(gòu)的微納光學(xué)器件具有顯著區(qū)別。
“我們需要在半個(gè)硬幣大小的區(qū)域內(nèi)加工出幾億個(gè)百納米級(jí)的小柱子。這些納米柱不僅要又細(xì)又深，形貌一致，而且排布精度要求極高，增加了加工的難度?！标惒┤≌f(shuō)道。
值得一提的是，該團(tuán)隊(duì)采用了兼容批量生產(chǎn)的微納加工工藝。仇旻課題組在微納光電子學(xué)領(lǐng)域 20 多年的技術(shù)積累，為此次研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
在探索加工工藝的過(guò)程中，研究人員充分考慮了科研成果的落地應(yīng)用和市場(chǎng)需求，因此器件的幅面必須足夠大，才能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)物鏡的完全替代?；诖饲暗募夹g(shù)積累，他們對(duì)這種加工工藝進(jìn)行了改進(jìn)，并發(fā)布了用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡的產(chǎn)品（DeepTech 此前報(bào)道：“戴著不重、點(diǎn)亮不燙”：西湖大學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)布超輕薄 AR 眼鏡）。
目前，研究人員已制作出多種面向不同需求的碳化硅超透鏡，并制定了詳細(xì)方案致力于向低成本和高產(chǎn)量方向發(fā)展。據(jù)介紹，這種獨(dú)特的加工工藝已經(jīng)應(yīng)用于幾家合作企業(yè)。此外，該團(tuán)隊(duì)還與多所院校合作，共同推動(dòng)該技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。
參考資料：
1.Chen,B. et al. 4H-SiC Metalens: Mitigating Thermal Drift Effect in High-Power Laser Irradiation.Advanced Materials2024, 2412414.
https://doi.org/10.1002/adma.202412414
運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍
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