Prof . Qiu Min's groep aan de Westlake University heeft met succes een nieuw type homogeen siliciumcarbide (4H-SIC) superlens ontwikkeld, die een gloednieuwe oplossing biedt voor het probleem van thermische drift in krachtige laserverwerking .
Vergeleken met conventionele commerciële objectieve lenzen, zijn de superlens niet alleen in staat om diffractie-beperkte focus te bereiken, maar handhaaft ook stabiele prestaties onder langdurige laserbestraling met een hoog vermogen, wat vrijwel niet wordt beïnvloed door thermische absorptie .
4H-SIC-materialen hebben aandacht getrokken voor hun uitstekende eigenschappen: hoge transmissie en brekingsindex voor optica, hoge thermische geleidbaarheid voor thermisch beheer en hoge hardheid en krasweerstand voor mechanische eigenschappen . Deze eigenschappen maken het een ideaal materiaal voor hoge prestaties en high-power apparaten .}
De nieuwe superlens maakt gebruik van de hoge thermische geleidbaarheid en lage verlieskarakteristieken van 4H-SIC-materiaal om het thermische drifteffect effectief te onderdrukken en de afhankelijkheid van complexe koelsystemen te verwijderen .
Deze technologische doorbraak biedt niet alleen sleutelondersteuning voor hoogvermogen lasersystemen, maar brengt ook nieuwe mogelijkheden voor de vervaardiging van precisie-instrumenten, poolverkenning, lucht- en ruimtevaart en vele andere gebieden. Vooral op het gebied van extreem hoge eisen aan verwerkingsnauwkeurigheid en oppervlaktekwaliteit kan de 4H-SiC-superlens een belangrijke rol spelen in het bieden van efficiëntere en compactere oplossingen voor toepassingen met hoogvermogenlasers.
1. Een nieuw idee om het thermische driftprobleem van krachtige lasers op te lossen
In een toevallige ontmoeting zagen de onderzoekers een doornig probleem dat vaak wordt aangetroffen in de productie van ondernemingen: tijdens de continue werking van krachtige laserprecisie op de productielijn, zal de objectieve lens de interne optische elementen vervormen vanwege de continue thermische accumulatie, die uiteindelijk de verwerkingsvorm en consistentie zal beïnvloeden .}}}
Dit komt omdat wanneer laserlicht met een hoge intensiteit een optisch apparaat toeslaat, het materiaal een deel van de lichte energie absorbeert en het omzet in warmte . voor materialen zoals siliciumoxide (kwarts) en calciumfluoride (fluoriet), die lage thermische geleidbaarheid hebben, is moeilijk om de hitte efficiënt te leiden en in een tijdige manier te leiden, in een tijdige manier, in een tijdige manier, in een plaats in een tijdige manier, in een tijdige manier, in een tijdige manier, het resultaat van het apparaat.
Om dit probleem op te lossen, heeft de groep een transparant 4h-SIC-materiaal voorbereid als een speciale superlens . Het apparaat is dunner dan een munt van één dollar, en het oppervlak is bedekt met honderden miljoenen nanopillars met een diameter van ongeveer 200-400 nanometers en een diepte van ongeveer 1 micron {{6 {6.
"Dankzij de hoge brekingsindex van het siliciumcarbidemateriaal konden we de golffrontfase van het licht manipuleren door de grootte van de nanopillars te afstemmen om een focusfunctie te bereiken die vergelijkbaar is met die van commerciële lenzen . Gecombineerd met de uitstekende thermische geleidbaarheid van het materiaal zelf, is een betere warmtedissipatieprestaties. beschrijft .
Figuur 丨 4H-SIC superlens (links) en SEM-karakterisering (rechts) (Bron: Botao Chen)
2. Experimentele verificatie van uitstekende thermische stabiliteit
In het experiment simuleerden de onderzoekers een real-life industrieel scenario door een Mitutoyo-microscoopdoellens (de toonaangevende commerciële objectieve lens van de industrie) en de 4H-SIC-superlens ontwikkeld die door het team zijn ontwikkeld met een hoog aangedreven laser op hetzelfde moment . te bestralen .
De resultaten laten zien dat onder 15- watt, 1030- nm gepulseerde laserstraling gedurende een uur, de temperatuur van de 4H-SIC superlens met slechts 3 {. 2 graden toenam, en de focusverschuiving was slechts een tiende van die van een conventionele objectieve lens.
De traditionele warmtedissipatiemethode is meestal om een waterkoelring buiten de objectieve lens te installeren om de warmte die door het apparaat wordt geabsorbeerd te verwijderen door het koelwater te circuleren ., niet alleen is dit oplossingscomplex en kostbaar, het verhoogt ook aanzienlijk het energieverbruik en koolstofemissies en vereist extra systemen om het waterkoelingsapparaat te laten lopen .}}}}
De voorgestelde oplossing van het team elimineert daarentegen de noodzaak van eventuele warmtedissipatiecomponenten door eenvoudigweg de superlens op een spiegelframe te monteren en een zeer efficiënte staatwarmteoverdracht te gebruiken om de hitte snel te exporteren . Dit maakt niet alleen een continue en stabiele werking mogelijk, maar ook de gebruiksvereisten en onderhoudsvereisten .}}}
Figuur 丨 Schematisch diagram van het thermische drifteffect van de 4H-SIC superlens (links) en de conventionele objectieve lens (rechts)
3. Het overwinnen van verwerkingsuitdagingen en op weg naar massaproductie
Als een materiaal met een hoge hardheid met een MOHS-hardheid als tweede alleen voor diamant, is siliciumcarbide extreem moeilijk om . te verwerken, hoewel het is gebruikt in hoogkrachtige chips voor nieuwe energievoertuigen, zijn tweedimensionale transistoren aanzienlijk verschillend van micro- en nano-optische apparaten met drie-dimensionale structuren.}}}}}
"We moeten honderden miljoenen kleine pijlers van honderd-nanometer-grootte verwerken in een gebied van de grootte van een halve munt ., niet alleen deze nanopillars moeten dun en diep zijn met een consistente vorm, maar de uitlijning precisie is nodig om extreem hoog te zijn, bij het toevoegen van de moeilijkheid van verwerking {{3}
Foto 丨 Qiu Min's groepsfoto
Het is vermeldenswaard dat het team een micro-nano-verwerkingsproces heeft overgenomen dat compatibel is met massaproductie . Qiu Min's groep's groep meer dan 20 jaar technische accumulatie op het gebied van micro-nano opto-elektronics heeft een solide basis gelegd voor dit onderzoek .}}}}}}}}}}}
In het proces van het verkennen van het verwerkingsproces hebben de onderzoekers de toepassing van wetenschappelijke onderzoeksresultaten en marktvraag volledig overwogen, dus de amplitude van het apparaat moet groot genoeg zijn om de volledige vervanging van traditionele objectieve lenzen te realiseren . op basis van de eerdere accumulatie van technologie, hebben ze dit verwerkingsproces verbeterd en vrijgegeven producten voor de realiteit van de realiteit .
Momenteel hebben de onderzoekers een verscheidenheid aan Silicon Carbide -superlenzen geproduceerd voor verschillende behoeften en hebben dit een gedetailleerd programma ontwikkeld dat is gewijd aan de richting van lage kosten en hoog rendement . Volgens het rapport is dit unieke proces toegepast op verschillende coöperatieve ondernemingen . bovendien, het team werkt ook met verschillende instellingen van deze technologie.
