西湖大學仇旻教授課題組成功開發出一種新型的同質碳化矽（4H-SiC）超透鏡，為解決高功率雷射加工中的熱漂移問題提供了全新的解決方案。
與傳統商用物鏡相比，該超透鏡不僅能夠實現衍射極限的聚焦，還能在長時間高功率雷射輻照下保持效能穩定，幾乎不受熱吸收的影響。
4H-SiC 材料因其優異的特性備受關注：在光學方面，具有高透過率和高折射率；在熱管理方面，具有高熱導率；在機械效能方面，具備高硬度和抗劃傷能力。這些特性使其成為高效能光學器件和高功率器件的理想材料。
新型超透鏡利用 4H-SiC 材料的高熱導率和低損耗特性，有效抑制了熱漂移效應，擺脫了對複雜冷卻系統的依賴。
這一技術突破不僅為高功率雷射系統提供了關鍵支援，還為精密儀器製造、極地探險、航空航天等多個領域帶來了新的可能性。尤其是在對加工精度和表面質量要求極高的領域，4H-SiC 超透鏡可以發揮重要作用，為高功率雷射應用提供更加高效、緊湊的解決方案。
日前，相關論文以《4H-SiC 超透鏡：抑制高功率雷射輻照的熱漂移效應》（4H-SiC Metalens: Mitigating Thermal Drift Effect in High-Power Laser Irradiation）為題發表在 Advanced Materials 上 [1]。
圖丨相關論文（來源：Advanced Materials）
解決高功率雷射熱漂移問題的新思路
在一次偶然的機會中，研究人員注意到企業生產中普遍存在一個棘手的問題：在產線連續執行的高功率雷射精密切割過程中，物鏡由於持續的熱積累會導致內部光學元件發生形變，最終影響加工形貌和一致性。
這是因為當高強度雷射照射在光學器件上時，材料會吸收部分光能並轉化為熱量。對於像氧化矽（石英）和氟化鈣（螢石）這類熱導率較低的材料，熱量難以及時有效地傳導，進而導致器件區域性過熱。
為了解決這一問題，課題組將透明的 4H-SiC 材料製備成一種特殊的超透鏡。該器件厚度比一元硬幣還薄，表面佈滿了數以億計直徑約 200-400 奈米、深度約 1 微米的奈米柱。
“得益於碳化矽材料的高折射率，我們透過調控奈米柱的尺寸，可以操控光的波前相位，從而實現與商用透鏡相當的聚焦功能。結合材料本身優異的熱導率，在更輕薄的器件中實現了更出色的散熱效能。”陳博取介紹道。
圖丨 4H-SiC 超透鏡（左）與 SEM 表徵圖（右）（來源：陳博取）
實驗驗證優異的熱穩定效能
在實驗中，研究人員模擬真實的工業場景，用高功率雷射同時照射日本 Mitutoyo（三豐）公司的顯微鏡物鏡（業界領先的商用物鏡）和團隊研發的 4H-SiC 超透鏡。
結果顯示，在 15 瓦、1030 奈米脈衝雷射連續照射 1 小時的條件下，4H-SiC 超透鏡的溫度僅上升了 3.2℃，焦點偏移量僅為傳統物鏡的十分之一。
傳統的散熱方法通常是在物鏡外部加裝水冷環，透過迴圈流動的冷卻水將器件吸收的熱量帶走。這種方案不僅複雜且成本高昂，還會顯著增加能耗和碳排放，並需要額外的系統來維持水冷裝置的執行。
與之相比，該團隊提出的解決方案無需任何散熱元件，只需將超透鏡安裝在鏡架上，利用高效的固體傳熱迅速匯出熱量。這樣不僅可以持續穩定地工作，還大大簡化了使用和維護要求。
圖丨 4H-SiC 超透鏡（左）與傳統物鏡（右）的熱漂移效應示意圖（來源：Advanced Materials）
克服加工難題，邁向批次生產
碳化矽作為一種高硬度材料，莫氏硬度僅次於金剛石，加工難度極大。雖然它已在新能源汽車的高功率晶片中得到應用，但二維的電晶體與三維結構的微納光學器件具有顯著區別。
“我們需要在半個硬幣大小的區域內加工出幾億個百奈米級的小柱子。這些奈米柱不僅要又細又深，形貌一致，而且排布精度要求極高，增加了加工的難度。”陳博取說道。
圖丨仇旻課題組合影（來源：陳博取）
值得一提的是，該團隊採用了相容批次生產的微納加工工藝。仇旻課題組在微納光電子學領域 20 多年的技術積累，為此次研究奠定了堅實的基礎。
在探索加工工藝的過程中，研究人員充分考慮了科研成果的落地應用和市場需求，因此器件的幅面必須足夠大，才能實現傳統物鏡的完全替代。基於此前的技術積累，他們對這種加工工藝進行了改進，併發布了用於增強現實眼鏡的產品（DeepTech 此前報道：“戴著不重、點亮不燙”：西湖大學團隊釋出超輕薄 AR 眼鏡）。
目前，研究人員已製作出多種面向不同需求的碳化矽超透鏡，並制定了詳細方案致力於向低成本和高產量方向發展。據介紹，這種獨特的加工工藝已經應用於幾家合作企業。此外，該團隊還與多所院校合作，共同推動該技術的持續發展。
參考資料：
1.Chen,B. et al. 4H-SiC Metalens: Mitigating Thermal Drift Effect in High-Power Laser Irradiation. Advanced Materials 2024, 2412414.
https://doi.org/10.1002/adma.202412414
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