Le groupe de Prof . Qiu Min à l'Université de Westlake a développé avec succès un nouveau type de Superlens de carbure de silicium homogène (4H-SIC), qui fournit une toute nouvelle solution au problème de la dérive thermique dans le traitement laser haute puissance .
Par rapport aux lentilles d'objectif commercial conventionnelles, les Superlens sont non seulement en mesure d'obtenir une focalisation limitée par diffraction, mais maintient également des performances stables sous une irradiation laser haute puissance prolongée, qui n'est pratiquement pas affectée par l'absorption thermique .
Les matériaux 4H-SIC ont attiré l'attention pour leurs excellentes propriétés: une transmittance élevée et un index de réfraction pour l'optique, une conductivité thermique élevée pour la gestion thermique, et une résistance à la dureté élevée et aux rayures pour les propriétés mécaniques . Ces propriétés en font un matériau idéal pour les dispositifs optiques et élevés de haute performance .
Les nouveaux superlens utilisent la conductivité thermique élevée et les caractéristiques de perte faible du matériau 4H-SIC pour supprimer efficacement l'effet de dérive thermique et se débarrasser de la dépendance à des systèmes de refroidissement complexes .
Cette percée technologique fournit non seulement un support clé pour les systèmes laser haute puissance, mais apporte également de nouvelles possibilités pour la fabrication d'instruments de précision, l'exploration polaire, l'aérospatiale et de nombreux autres domaines ., en particulier dans le domaine des exigences extrêmement élevées pour le traitement et la qualité de surface, les superlers 4H-SiC peuvent jouer un rôle important dans les applications laser haute et compactes pour les applications laser haute puissance {} {} {} {} {{} {} {{} {} {{} {} {} {} {{} {} {} {} {} {} {} {} {} ations
1. Une nouvelle idée pour résoudre le problème de dérive thermique des lasers haute puissance
Dans une rencontre fortuite, les chercheurs ont remarqué un problème épineux que l'on trouve couramment dans la production d'entreprise: pendant le fonctionnement continu de la coupe de précision laser haute puissance sur la ligne de production, la lentille objective déformera ses éléments optiques internes en raison de l'accumulation thermique continue, qui affectera finalement la forme et la cohérence du traitement .
En effet, lorsque la lumière laser à haute intensité frappe un dispositif optique, le matériau absorbe une partie de l'énergie lumineuse et le convertit en chaleur . pour des matériaux tels que l'oxyde de silicium (quartz) et le fluorure de calcium (fluorite), qui ont une faible conductivité thermique, il est difficile de mener le clin
Pour résoudre ce problème, le groupe a préparé un matériau transparent 4H-SIC en tant que superlens spéciaux ., l'appareil est plus mince qu'une pièce à un dollar, et sa surface est recouverte de centaines de millions de nanomètres et d'une profondeur d'environ 1 micron . et d'une profondeur d'environ 1 micron . et d'une profondeur d'environ 1 micron . et d'une profondeur d'environ 1 micron .
"Grâce à l'indice de réfraction élevé du matériau en carbure de silicium, nous avons pu manipuler la phase de front d'onde de la lumière en réglant la taille des nanopillars pour atteindre une fonction de focalisation comparable à celle des lentilles commerciales . combinées avec l'excellente conductivité thermique du matériau lui-même, des performances de dissuasion de thermos décrit .
Figure 丨 Superlens 4H-Sic (à gauche) et caractérisation SEM (à droite) (source: Botao Chen)
2. Vérification expérimentale d'une excellente stabilité thermique
Dans l'expérience, les chercheurs ont simulé un scénario industriel réel en irradiant une lentille d'objectif du microscope mitutoyo (le principal objectif commercial de l'industrie) et les superlens 4H-SIC développés par l'équipe avec un laser de haute puissance en même temps .
Les résultats montrent que sous 15-} watt, 1030-} nm Irradiation laser pulsée pendant une heure, la température des superlens 4H-SIC n'a augmenté que de 3 .} 2 degrés, et le décalage de mise au point n'était que le dixième de celui d'une lentille objective conventionnelle.
La méthode traditionnelle de la dissipation de chaleur consiste généralement à installer un anneau de refroidissement à l'eau à l'extérieur de l'objectif pour éliminer la chaleur absorbée par l'appareil en circulant l'eau de refroidissement . non seulement ce complexe de solution et coûteux, il augmente également considérablement la consommation d'énergie et les émissions de carbone, et nécessite des systèmes supplémentaires pour maintenir le dispositif de coloriage de l'eau en cours d'exécution.}
En revanche, la solution proposée de l'équipe élimine le besoin de composants de dissipation de chaleur en montant simplement les superlens sur une trame miroir et en utilisant un transfert de chaleur à l'état solide très efficace pour exporter rapidement la chaleur . Cela permet non seulement un fonctionnement continu et stable, mais également des conditions d'utilisation et également de maintenance., mais également des exigences d'utilisation et de maintenance., mais également de manière grande
Figure 丨 Diagramme schématique de l'effet de dérive thermique des Superlens 4H-SIC (à gauche) et de l'objectif conventionnel (à droite)
3. Surmonter les défis de traitement et se diriger vers la production de masse
En tant que matériau à forte dureté avec une dureté MOHS en seconde où le diamant, le carbure de silicium est extrêmement difficile à traiter . bien qu'il ait été utilisé dans des puces haute puissance pour les véhicules énergétiques, les transistors à deux dimensions sont significativement différents des appareils micro et nano-optiques avec des structures tridimensionnelles .
"Nous devons traiter des centaines de millions de petits piliers de la taille d'une centaine dans une zone de la taille d'une demi-pièce ., non seulement ces nanopillars doivent être minces et profonds avec une forme cohérente, mais la précision d'alignement est nécessaire pour être extrêmement élevée, ajoutant à la difficulté du traitement ." Chen Botao a dit .
Photo 丨 丨 丨 丨 丨 丨 丨 丨 丨 Qiu Min Group Photo
Il convient de mentionner que l'équipe a adopté un processus de traitement micro-nano qui est compatible avec la production de masse .} Qiu Min du groupe plus de 20 ans d'accumulation technique dans le domaine de l'optoélectronique micro-nano a jeté une base solide pour cette recherche .
Dans le processus d'exploration du processus de traitement, les chercheurs ont pleinement examiné l'application des résultats de la recherche scientifique et la demande du marché, de sorte que l'amplitude de l'appareil doit être suffisamment grande pour réaliser le remplacement complet des objectifs traditionnels . sur la base de l'accumulation précédente de la technologie, ils ont amélioré ce processus de traitement et libéré des produits pour des lunettes de réalité augmentées. et
Actuellement, les chercheurs ont produit une variété de superlenses de carbure de silicium pour différents besoins, et ont développé un programme détaillé dédié à la direction du faible coût et du rendement élevé ..
