El grupo de Prof . Qiu Min en la Universidad de Westlake ha desarrollado con éxito un nuevo tipo de superlenss de carburo de silicio homogéneo (4H-SIC), que proporciona una solución nueva al problema de la deriva térmica en el procesamiento de láser de alta potencia .}
En comparación con las lentes objetivos comerciales convencionales, los Superlens no solo pueden lograr un enfoque limitado por difracción, sino que también mantiene un rendimiento estable bajo irradiación láser de alta potencia prolongada, que prácticamente no se ve afectada por la absorción térmica .
Los materiales 4H-SIC han atraído la atención por sus excelentes propiedades: alta transmitancia e índice de refracción para óptica, alta conductividad térmica para el manejo térmico y alta dureza y resistencia a los rasguños para propiedades mecánicas . Estas propiedades lo convierten
El nuevo Superlens utiliza la alta conductividad térmica y las características de baja pérdida del material 4H-SIC para suprimir de manera efectiva el efecto de deriva térmica y eliminar la dependencia de los sistemas de enfriamiento complejos .
Este avance tecnológico no solo proporciona un soporte clave para los sistemas láser de alta potencia, sino que también trae nuevas posibilidades para la fabricación de instrumentos de precisión, exploración polar, aeroespacial y muchos otros campos . especialmente en el campo de requisitos extremadamente altos para el procesamiento de la precisión y la calidad de la superficie, 4H-sic-sic s-sic superes pueden desempeñar un papel importante en proporcionar soluciones más eficientes y compactas para las aplicaciones de alto potencia de alto potencia.
1. una nueva idea para resolver el problema de deriva térmica de los láseres de alta potencia
En un encuentro casual, los investigadores notaron un problema espinoso que se encuentra comúnmente en la producción empresarial: durante el funcionamiento continuo de la corte de precisión láser de alta potencia en la línea de producción, la lente objetivo deformará sus elementos ópticos internos debido a la acumulación térmica continua, que finalmente afectará la forma de procesamiento y la consistencia .}}
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 dispositivo .
Para resolver este problema, el grupo preparó un material transparente 4H-SIC como superlenss especiales . El dispositivo es más delgado que una moneda de un dólar, y su superficie está cubierta con cientos de millones de nanopilares con un diámetro de aproximadamente 200-400} nanómetros y una profundidad de aproximadamente 1 microna .}}}}}}}}}}}}
"Gracias al alto índice de refracción del material de carburo de silicio, pudimos manipular la fase de luz del frente de onda de la luz ajustando el tamaño de los nanopilares para lograr una función de enfoque comparable a la de las lentes comerciales . combinada con la excelente conductividad térmica del material en sí mismo, un mejor rendimiento de disipación se realiza en un dispositivo fino y más ligero .}} describe .
Figura 丨 4H-Sic Superlens (izquierda) y caracterización SEM (derecha) (Fuente: Botao Chen)
2. Verificación experimental de excelente estabilidad térmica
En el experimento, los investigadores simularon un escenario industrial de la vida real al irradiar una lente objetivo de microscopio Mitutoyo (la lente objetivo comercial líder de la industria) y los superlenses 4H-SIC desarrollados por el equipo con un láser de alta potencia al mismo tiempo .}
Los resultados muestran que bajo 15- Watt, 1030- nm irradiación láser pulsada durante una hora, la temperatura de los superlenss 4H-SIC aumentó solo 3 . 2 grados, y el cambio de enfoque fue solo una décima parte de la de una lente objetiva convencional.
El método tradicional de disipación de calor generalmente es instalar un anillo de enfriamiento de agua fuera de la lente objetivo para eliminar el calor absorbido por el dispositivo circulando el agua de enfriamiento . no solo esta solución es compleja y costosa, sino que también aumenta significativamente el consumo de energía y las emisiones de carbono, y requiere sistemas adicionales para mantener el dispositivo de combinación de agua .}}
Por el contrario, la solución propuesta del equipo elimina la necesidad de cualquier componente de disipación de calor simplemente montando las superlensas en un marco de espejo y utilizando una transferencia de calor de estado sólido altamente eficiente para exportar rápidamente el calor . esto no solo permite una operación continua y estable, sino que también simplifica en gran medida los requisitos de uso y mantenimiento {}}}}
Figura 丨 Diagrama esquemático del efecto de deriva térmica de las superlensas 4H-SIC (izquierda) y la lente objetivo convencional (derecha)
3. Superar desafíos de procesamiento y avanzar hacia la producción en masa
Como material de alta duración con una dureza de Mohs en segundo lugar solo por diamante, el carburo de silicio es extremadamente difícil de procesar . Aunque se ha utilizado en chips de alta potencia para nuevos vehículos energéticos, los transistores bidimensionales son significativamente diferentes de los dispositivos micro y nano-ópticos con estructuras tridimensionales .}
"Necesitamos procesar cientos de millones de pequeños pilares de cien nanométricos en un área del tamaño de la mitad de una moneda . no solo estos nanopilares tienen que ser delgados y profundos con una forma consistente, sino que la precisión de alineación se requiere que sea extremadamente alta, sumando la dificultad de procesar {{3}" dijo el botoo {.}}}
Foto 丨 Foto grupal de Qiu Min
Vale la pena mencionar que el equipo adoptó un proceso de procesamiento de micro-nano que es compatible con la producción en masa . de los más de 20 años de acumulación técnica de Grupo de Qiu Min en el campo de la optoelectrónica de micro-nano ha sentado una base sólida para esta investigación .}
En el proceso de explorar el proceso de procesamiento, los investigadores consideraron completamente la aplicación de los resultados de la investigación científica y la demanda del mercado, por lo que la amplitud del dispositivo debe ser lo suficientemente grande como para realizar el reemplazo completo de las lentes objetivos tradicionales . basado en la acumulación previa de la tecnología, han mejorado este proceso de procesamiento y han publicado productos para las gafas de realidad aumentada .}
Actualmente, los investigadores han producido una variedad de superlensas de carburo de silicio para diferentes necesidades, y han desarrollado un programa detallado dedicado a la dirección de bajo costo y alto rendimiento . Según el informe, este proceso único se ha aplicado a varias empresas cooperativas .} Además, el equipo también está trabajando con varias instituciones para promover el desarrollo continuo de esta tecnología .}.
