Zespół z Uniwersytetu Westlake opracowuje nowatorską metalensę SiC z obiecującymi możliwościami zarządzania termicznego dla systemów laserów dużej mocy

Grupa badawcza pod kierownictwem prof. Mina Qiu z Uniwersytetu Westlake z powodzeniem opracowała nowatorską, jednorodną metalensę 4H-SiC (węglik krzemu), oferując unikalne rozwiązanie problemu dryftu termicznego w obróbce laserowej dużej mocy.

Wykorzystując wysoką przewodność cieplną i niskie straty 4H-SiC, nowa metalensa skutecznie tłumi dryft termiczny bez potrzeby stosowania złożonych zewnętrznych systemów chłodzenia.

Przełom ten nie tylko zapewnia kluczowe wsparcie dla systemów laserów dużej mocy, ale także otwiera nowe możliwości w precyzyjnej aparaturze, eksploracji polarnej, lotnictwie i kosmonautyce oraz innych dziedzinach. W zastosowaniach wymagających niezwykle wysokiej dokładności obróbki i jakości powierzchni, metalensa 4H-SiC może odgrywać istotną rolę, zapewniając bardziej wydajne i kompaktowe rozwiązanie dla systemów laserów dużej mocy.

Powiązany artykuł, zatytułowany “Metalensa 4H-SiC: łagodzenie efektu dryftu termicznego w naświetlaniu laserem dużej mocy,” został niedawno opublikowany w , 2024, 2412414. [1].

Nowa strategia radzenia sobie z dryftem termicznym w obróbce laserowej dużej mocy

Naukowcy zaobserwowali powtarzający się problem w precyzyjnym cięciu laserem dużej mocy: długotrwałe działanie prowadziło do gromadzenia się ciepła w soczewkach, deformując wewnętrzne elementy optyczne i pogarszając spójność i morfologię obróbki.

Wynika to z częściowej absorpcji energii lasera przez elementy optyczne, która jest zamieniana na ciepło. W materiałach takich jak kwarc i CaF₂ o słabej przewodności cieplnej, dochodzi do lokalnego przegrzania z powodu nieskutecznego rozpraszania ciepła.

Aby to rozwiązać, zespół wyprodukował przezroczystą metalensę 4H-SiC z miliardami nanopilastrów (o średnicy 200–400 nm i głębokości ~1 µm) zaprojektowanych na jej powierzchni.

“Dzięki wysokiemu współczynnikowi załamania SiC, poprzez dostrojenie wymiarów nanopilastrów możemy manipulować fazą optyczną i osiągnąć wydajność ogniskowania porównywalną z soczewkami komercyjnymi. W połączeniu z jego wysoką przewodnością cieplną, wydajne rozpraszanie ciepła jest realizowane w znacznie cieńszym urządzeniu,” powiedział Boqu Chen.

Eksperymentalna demonstracja wyjątkowej stabilności termicznej

W symulowanych warunkach przemysłowych zespół porównał swoją metalensę 4H-SiC z wiodącym obiektywem komercyjnym firmy Mitutoyo Japan. Po ciągłym naświetlaniu laserem impulsowym 15 W, 1030 nm przez 1 godzinę, metalensa 4H-SiC wykazywała wzrost temperatury o zaledwie 3,2 °C, a przesunięcie ogniskowej było zaledwie jedną dziesiątą tego, co zaobserwowano w tradycyjnych obiektywach.

Konwencjonalne chłodzenie generalnie opiera się na zewnętrznych pierścieniach chłodzenia wodnego w celu odprowadzania ciepła, co zwiększa złożoność systemu, koszty, zużycie energii i emisję dwutlenku węgla.

W przeciwieństwie do tego, rozwiązanie oparte na metalensie nie wymaga żadnych dodatkowych elementów chłodzących — wystarczy zamontować soczewkę, aby umożliwić szybkie usuwanie ciepła w stanie stałym, umożliwiając stabilną, długotrwałą pracę, jednocześnie upraszczając użytkowanie i konserwację.

Przejście do masowej produkcji

Wiele typów metalens SiC zostało już wyprodukowanych dla różnych zastosowań, a trwają prace nad obniżeniem kosztów i zwiększeniem przepustowości. Technika ta została już zastosowana we współpracy z kilkoma firmami i instytucjami. 

Oczekuje się, że metalensy 4H-SiC przyspieszą zastosowanie systemów laserów dużej mocy w coraz bardziej wymagających środowiskach.

Wykorzystując naszą wiedzę specjalistyczną w zakresie materiałów SiC, jesteśmy w stanie dostarczyć pełną gamę produktów na bazie SiC, w tym:

Podłoża 4H-SiC i 6H-SiC (klasa badawcza i urządzeniowa, 2–6 cali)Wafle epitaksjalne SiC

(typu n / typu p, HPSI, niestandardowe grubości i domieszkowanie)Optyczne

okna i soczewki SiCPodłoża SiC z wzorem

dla urządzeń optoelektronicznych i MEMSNiestandardowo obrobione

komponenty SiC (rozpraszacze ciepła, zwierciadła laserowe, precyzyjne części)​

Daj nam znać, jeśli chcesz otrzymać karty katalogowe, wyceny lub niestandardowe rozwiązania dla swojej aplikacji.

Referencje

Chen, B. i in.

1. Metalensa 4H-SiC: łagodzenie efektu dryftu termicznego w naświetlaniu laserem dużej mocy. Advanced Materials, 2024, 2412414. https://doi.org/10.1002/adma.202412414