Команда Вестлейкского университета разрабатывает новую SiC металинзу с многообещающими возможностями терморегулирования для мощных лазерных систем

Научная группа под руководством профессора Минь Цю из Вестлейкского университета успешно разработала новую однородную металинзу из 4H-SiC (карбида кремния), предлагающую уникальное решение для устранения термического дрейфа в высокомощной лазерной обработке.

Используя высокую теплопроводность и низкие потери 4H-SiC, новая металинза эффективно подавляет термический дрейф без необходимости использования сложных внешних систем охлаждения.

Этот прорыв не только обеспечивает решающую поддержку для мощных лазерных систем, но и открывает новые возможности в прецизионном приборостроении, полярных исследованиях, аэрокосмической отрасли и других областях. В приложениях, требующих чрезвычайно высокой точности обработки и качества поверхности, металинза из 4H-SiC может сыграть жизненно важную роль, обеспечивая более эффективное и компактное решение для мощных лазерных систем.

Соответствующая статья под названием «Металинза 4H-SiC: смягчение эффекта термического дрейфа при облучении мощным лазером» была недавно опубликована в журнале https://doi.org/10.1002/adma.202412414 [1].

Новая стратегия борьбы с термическим дрейфом в высокомощной лазерной обработке

Исследователи наблюдали повторяющуюся проблему в прецизионной резке мощным лазером: длительная эксплуатация приводила к накоплению тепла в линзах, деформируя внутренние оптические элементы и ухудшая согласованность и морфологию обработки.

Это связано с частичным поглощением лазерной энергии оптическими компонентами, которая преобразуется в тепло. В таких материалах, как кварц и CaF₂, с плохой теплопроводностью, происходит локальный перегрев из-за неэффективного отвода тепла.

Чтобы решить эту проблему, команда изготовила прозрачную металинзу из 4H-SiC с миллиардами наностолбиков (диаметром 200–400 нм и глубиной ~1 мкм), нанесенных на ее поверхность.

«Благодаря высокому показателю преломления SiC, настраивая размеры наностолбиков, мы можем управлять оптической фазой и достигать фокусирующих характеристик, сопоставимых с коммерческими линзами. В сочетании с его высокой теплопроводностью, эффективный отвод тепла реализуется в гораздо более тонком устройстве», — сказал Боку Чен.

Экспериментальная демонстрация выдающейся термической стабильности

В смоделированных промышленных условиях команда сравнила свою металинзу из 4H-SiC с ведущим коммерческим объективом от Mitutoyo Japan. При непрерывном облучении импульсным лазером мощностью 15 Вт, 1030 нм в течение 1 часа металинза из 4H-SiC показала повышение температуры всего на 3,2 °C, а смещение фокуса составило лишь одну десятую от наблюдаемого в традиционных объективах.

Обычное охлаждение обычно полагается на внешние кольца водяного охлаждения для отвода тепла, что увеличивает сложность системы, стоимость, энергопотребление и выбросы углерода.

Напротив, решение на основе металинзы не требует дополнительных компонентов охлаждения — простая установка линзы обеспечивает быстрое твердотельное извлечение тепла, обеспечивая стабильную, долгосрочную работу, упрощая использование и обслуживание.

Движение к массовому производству

В настоящее время изготовлено несколько типов металинз из SiC для различных применений, и предпринимаются усилия по снижению затрат и увеличению производительности. Эта технология уже применяется в сотрудничестве с несколькими компаниями и учреждениями. 

Ожидается, что металинзы из 4H-SiC ускорят применение мощных лазерных систем в условиях повышенных требований.

Используя наш опыт в области материалов SiC, мы можем предоставить полный спектр продуктов на основе SiC, включая:

Подложки из 4H-SiC и 6H-SiC (исследовательского и приборного класса, 2–6 дюймов)Эпитаксиальные пластины SiC

(n-типа / p-типа, HPSI, нестандартная толщина и легирование)Оптические

окна и линзы из SiCШаблонные подложки SiC

для оптоэлектронных устройств и MEMSКомпоненты SiC

(рассеиватели тепла, лазерные зеркала, прецизионные детали)​Пожалуйста, сообщите нам, если вам нужны технические паспорта, расценки или индивидуальные решения для вашего применения.

Ссылка

Chen, B., et al.

Металинза 4H-SiC: смягчение эффекта термического дрейфа при облучении мощным лазером

1. . Advanced Materials, 2024, 2412414. https://doi.org/10.1002/adma.202412414