Prof . Qiu Mins Gruppe an der Westlake University hat erfolgreich eine neue Art von homogenen Silizium-Carbid-Superlens entwickelt, die eine brandneue Lösung für das Problem der thermischen Drift in der Hochleistungs-Laserverarbeitung . liefert
Im Vergleich zu herkömmlichen kommerziellen Objektivlinsen können die Superlens nicht nur eine Beugungsfokussierung erreichen, sondern auch die stabile Leistung unter längerer Hochleistungs-Laserbestrahlung beibehalten, was durch thermische Absorption . praktisch nicht beeinflusst wird .
4H-SiC materials have attracted attention for their excellent properties: high transmittance and refractive index for optics, high thermal conductivity for thermal management, and high hardness and scratch resistance for mechanical properties. These properties make it an ideal material for high performance optics and high power devices.
Die neuen Superlens nutzen die hohe thermische Leitfähigkeit und den niedrigen Verlusteigenschaften von 4H-SIC-Material, um den thermischen Drift-Effekt effektiv zu unterdrücken und die Abhängigkeit von komplexen Kühlsystemen zu beseitigen .
Dieser technologische Durchbruch bietet nicht nur wichtige Unterstützung für Hochleistungs-Lasersysteme, sondern bietet auch neue Möglichkeiten für die Herstellung von Präzisionsinstrumenten, die Polar-Exploration, die Luft- und Raumfahrt und viele andere Felder ., insbesondere im Bereich der extrem hohen Anforderungen für die Verarbeitung von Akkuration und Oberflächenqualität, 4H-SISIC-Superlenen, die eine wichtigere Rolle für die effizientere und kompakte Löwen für Hochtouren spielen, um eine wichtige Rolle zu liefern.
1. Eine neue Idee, um das thermische Driftproblem von Hochleistungslasern zu lösen
In einer zufälligen Begegnung stellten die Forscher ein dorniges Problem fest
This is because when high-intensity laser light strikes an optical device, the material absorbs some of the light energy and converts it into heat. For materials such as silicon oxide (quartz) and calcium fluoride (fluorite), which have low thermal conductivity, it is difficult to conduct the heat efficiently and in a timely manner, resulting in localized overheating of the Gerät .
Um dieses Problem zu lösen, erstellte die Gruppe ein transparentes 4H-Sic-Material als spezielle Superlens . Das Gerät ist dünner als eine Ein-Dollar-Münze
"Dank des hohen Brechungsindex des Siliziumkarbidmaterials konnten wir die Wellenfrontphase des Lichts manipulieren, indem wir die Größe der Nanopillare einstellen, um eine Fokussierungsfunktion zu erreichen, die mit der von kommerziellen Linsen vergleichbar ist. beschreibt .
Abbildung 丨 4H-SIC Superlens (links) und SEM-Charakterisierung (rechts) (Quelle: Botao Chen)
2. Experimentelle Überprüfung der hervorragenden thermischen Stabilität
In dem Experiment simulierten die Forscher ein reales industrielles Szenario, indem sie eine Mitutoyo-Mikroskop-Objektivlinse (die führende kommerzielle Objektivlinse der Branche) und die 4H-SIC-Superlens des Teams mit einem leistungsstarken Laser gleichzeitig .}}}}}}}}}}} simulierten.
Die Ergebnisse zeigen, dass unter 15- Watt 1030- nm gepulste Laserbestrahlung für eine Stunde lang die Temperatur der 4H-SIC-Superlens um nur 3 . 2 Grad erhöht wurde, und die Fokusverschiebung war nur ein Zehnte des herkömmlichen, einleitenden Objektivs.
Die herkömmliche Wärmeableitungsmethode besteht normalerweise darin, einen Wasserkühlring außerhalb der objektiven Linse zu installieren, um die vom Gerät absorbierte Wärme zu entfernen, indem das Kühlwasser . nicht nur dieser Lösungskomplex und kostspielig ist, sondern auch erheblich erhöht den Energieverbrauch und die Kohlenstoffemissionen erhöht und zusätzliche Systeme, um das Wasser-Cooling-Gerät {.}}}}}}}}}}}} zu halten {{{}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}.
Im Gegensatz dazu eliminiert die vorgeschlagene Lösung des Teams die Notwendigkeit einer Wärmeableitungskomponenten, indem sie einfach die Superlens auf einem Spiegelrahmen montieren und hocheffiziente Festkörper-Wärmeübertragung verwenden, um die Wärme schnell zu exportieren . Dies ermöglicht dies nicht nur für den kontinuierlichen und stabilen Betrieb, sondern auch die Nutzung und Wartungsanforderungen {{}}}}}}}}}}}}}}}}}}}
Abbildung 丨 Schematisches Diagramm des thermischen Drifteffekts der 4H-SIC-Superlens (links) und der herkömmlichen objektiven Linse (rechts)
3. Überwindung der Verarbeitungsherausforderungen und zur Massenproduktion bewegen
As a high-hardness material with a Mohs hardness second only to diamond, silicon carbide is extremely difficult to process. Although it has been used in high-power chips for new energy vehicles, two-dimensional transistors are significantly different from micro- and nano-optical devices with three-dimensional structures.
"We need to process hundreds of millions of small hundred-nanometer-sized pillars in an area the size of half a coin. Not only do these nanopillars have to be thin and deep with a consistent shape, but the alignment precision is required to be extremely high, adding to the difficulty of processing." Chen Botao said.
Foto 丨 Qiu Mins Gruppenfoto
Es ist erwähnenswert, dass das Team einen Mikro-Nano-Verarbeitungsprozess angenommen hat, der mit der Massenproduktion kompatibel ist.
Bei der Erforschung des Verarbeitungsprozesses berücksichtigten die Forscher die Anwendung wissenschaftlicher Forschungsergebnisse und die Marktnachfrage voll und
Derzeit haben die Forscher eine Vielzahl von Siliziumcarbid -Superlensen für unterschiedliche Bedürfnisse produziert und ein detailliertes Programm entwickelt, das der Richtung mit geringen Kosten und hohen Erträgen . entwickelt hat. Dieser einzigartige Prozess wurde auf mehreren kooperativen Unternehmen angewendet. Zusätzlich arbeiten das Team mit mehreren Institutionen, die mit mehreren Institutionen die Fortsetzung dieser Technologie.}}}}}, auch mit mehreren Institutionen zusammen.
