Il gruppo del Prof. Qiu Min alla Westlake University ha sviluppato con successo un nuovo tipo di carburo di silicio omogeneo (4H-SIC) Superlens, che fornisce una soluzione nuova di zecca al problema della deriva termica nell'elaborazione laser ad alta potenza.
Rispetto alle lenti oggettive commerciali convenzionali, i Superlens non sono solo in grado di ottenere una messa a fuoco limitata alla diffrazione, ma mantiene anche prestazioni stabili sotto l'irradiazione laser ad alta potenza prolungata, che non è praticamente influenzata dall'assorbimento termico.
I materiali 4H-SIC hanno attirato l'attenzione per le loro eccellenti proprietà: alta trasmittanza e indice di rifrazione per ottica, alta conducibilità termica per la gestione termica e alta durezza e resistenza ai graffi per le proprietà meccaniche. Queste proprietà lo rendono un materiale ideale per ottica ad alte prestazioni e dispositivi ad alta potenza.
Il nuovo Superlens utilizza l'elevata conduttività termica e le caratteristiche a bassa perdita del materiale 4H-SIC per sopprimere efficacemente l'effetto di deriva termica e sbarazzarsi della dipendenza da sistemi di raffreddamento complessi.
Questa svolta tecnologica non solo fornisce supporto chiave per i sistemi laser ad alta potenza, ma offre anche nuove possibilità per la produzione di strumenti di precisione, l'esplorazione polare, aerospaziale e molti altri campi. Soprattutto nel campo di requisiti estremamente elevati per l'accuratezza della lavorazione e la qualità della superficie, 4H-SIC Superlens può svolgere un ruolo importante nel fornire soluzioni più efficienti e compatte per applicazioni laser ad alta potenza.
1. Una nuova idea per risolvere il problema della deriva termica dei laser ad alta potenza
In un incontro casuale, i ricercatori hanno notato un problema spinoso comunemente trovato nella produzione aziendale: durante il continuo funzionamento del taglio di precisione laser ad alta potenza sulla linea di produzione, la lente oggettiva deformerà i suoi elementi ottici interni a causa del continuo accumulo termico, che alla fine influirà sulla forma di elaborazione e sulla coerenza.
Questo perché quando la luce laser ad alta intensità colpisce un dispositivo ottico, il materiale assorbe parte dell'energia della luce e la converte in calore. Per materiali come l'ossido di silicio (quarzo) e il fluoruro di calcio (fluorite), che hanno una bassa conduttività termica, è difficile condurre il calore in modo efficiente e tempestivo, con conseguente surriscaldamento localizzato del dispositivo.
Per risolvere questo problema, il gruppo ha preparato un materiale 4H-SIC trasparente come Special Superlens. Il dispositivo è più sottile di una moneta da un dollaro e la sua superficie è coperta da centinaia di milioni di nanopillari con un diametro di circa 200-400 nanometri e una profondità di circa 1 micron.
"Grazie all'elevato indice di rifrazione del materiale in carburo di silicio, siamo stati in grado di manipolare la fase della luce del fronte d'onda sintonizzando le dimensioni dei nanopillari per ottenere una funzione di messa a fuoco paragonabile a quella delle lenti commerciali. Combinato con l'eccellente conduttività termica del materiale stesso, una migliore prestazione di dissipazione del calore è realizzata in un dispositivo più sottile e più leggero." Chen Botao descrive.
Figura 丨 4H-SIC Superlens (sinistra) e caratterizzazione SEM (a destra) (Fonte: Botao Chen)
2. Verifica sperimentale di eccellente stabilità termica
Nell'esperimento, i ricercatori hanno simulato uno scenario industriale nella vita reale irradiando una lente oggettiva al microscopio Mitutoyo (il principale obiettivo commerciale del settore) e il 4H-SIC Superlens sviluppato dal team con un laser ad alta potenza contemporaneamente.
I risultati mostrano che sotto 15- watt, 1030- nm irradiazione laser pulsata per un'ora, la temperatura dei superlens 4H-SIC è aumentata di soli 3,2 gradi e il turno di messa a fuoco era solo un decimo di quello di un obiettivo convenzionale.
Il tradizionale metodo di dissipazione del calore è di solito per installare un anello di raffreddamento dell'acqua all'esterno della lente oggettiva per rimuovere il calore assorbito dal dispositivo circolando l'acqua di raffreddamento. Non solo questa soluzione è complessa e costosa, ma aumenta anche significativamente il consumo di energia e le emissioni di carbonio e richiede sistemi aggiuntivi per mantenere in funzione il dispositivo di raffreddamento ad acqua.
Al contrario, la soluzione proposta del team elimina la necessità di eventuali componenti di dissipazione del calore semplicemente montando i Superlens su un telaio a specchio e utilizzando un trasferimento di calore a stato solido altamente efficiente per esportare rapidamente il calore. Ciò non solo consente un funzionamento continuo e stabile, ma semplifica notevolmente i requisiti di utilizzo e manutenzione.
Figura 丨 Diagramma schematico dell'effetto di deriva termica del 4H-SIC Superlens (a sinistra) e della lente obiettivo convenzionale (a destra)
3. Superompendo le sfide di elaborazione e muoversi verso la produzione di massa
Come materiale ad alta resistenza con una durezza MOHS secondo solo al diamante, il carburo di silicio è estremamente difficile da elaborare. Sebbene sia stato utilizzato in chip ad alta potenza per nuovi veicoli energetici, i transistor bidimensionali sono significativamente diversi dai dispositivi micro e nano-ottici con strutture tridimensionali.
"Dobbiamo elaborare centinaia di milioni di pilastri di piccole centinaia di nanometri in un'area delle dimensioni di mezza moneta. Non solo questi nanopillari devono essere sottili e profondi con una forma coerente, ma è necessario che la precisione di allineamento sia estremamente elevata, aggiungendo alla difficoltà di elaborazione." Chen Botao disse.
Foto 丨 Foto del gruppo di Qiu Min
Vale la pena ricordare che il team ha adottato un processo di elaborazione micro-nano compatibile con la produzione di massa. Oltre 20 anni di accumulo tecnico di Qiu Min nel campo della micro-nano optoelettronica ha gettato solide basi per questa ricerca.
Nel processo di esplorazione del processo di elaborazione, i ricercatori hanno pienamente considerato l'applicazione dei risultati della ricerca scientifica e della domanda di mercato, quindi l'ampiezza del dispositivo deve essere abbastanza grande da realizzare la sostituzione completa delle lenti obiettive tradizionali. Sulla base del precedente accumulo di tecnologia, hanno migliorato questo processo di elaborazione e rilasciato prodotti per gli occhiali di realtà aumentata.
Attualmente, i ricercatori hanno prodotto una varietà di superlenzi in carburo di silicio per diverse esigenze e hanno sviluppato un programma dettagliato dedicato alla direzione a basso costo e ad alto rendimento. Secondo il rapporto, questo processo unico è stato applicato a diverse imprese cooperative. Inoltre, il team sta anche lavorando con diverse istituzioni per promuovere il continuo sviluppo di questa tecnologia.
