ウェストレイク大学のQiu Min教授のグループは、高出力レーザー処理における熱漂流の問題に対する真新しいソリューションを提供する新しいタイプの均質な炭化シリコン（4H-SIC）スーパーレンズの開発に成功しました。
従来の市販の目的レンズと比較して、スーパーレンズは回折制限焦点を達成できるだけでなく、熱吸収によって実質的に影響を受けない長期の高出力レーザー照射下で安定した性能を維持します。
4H-SIC材料は、優れた特性に注目を集めています。光学系の高透過率と屈折指数、熱管理のための高い熱伝導率、および機械的特性の高い硬度とスクラッチ抵抗です。これらのプロパティにより、高性能光学系と高出力デバイスに理想的な材料になります。
新しいスーパーレンズは、4H-SIC材料の高い熱伝導率と低損失特性を利用して、熱ドリフト効果を効果的に抑制し、複雑な冷却システムへの依存を取り除きます。
この技術的ブレークスルーは、高出力レーザーシステムの重要なサポートを提供するだけでなく、精密機器の製造、極地探査、航空宇宙、その他多くの分野に新しい可能性をもたらします。特に、精度と表面の品質を処理するための非常に高い要件の分野では、4H-SICスーパーレンズは、高出力レーザーアプリケーションにより効率的でコンパクトなソリューションを提供する上で重要な役割を果たすことができます。
1.高出力レーザーの熱漂流の問題を解決するための新しいアイデア
偶然の出会いで、研究者たちは、エンタープライズの生産で一般的に見られるとげのある問題に気づきました。生産ライン上の高出力レーザー精度切断の連続動作中に、客観的なレンズは、最終的に処理形状と一貫性に影響する連続熱蓄積のためにその内部光学要素を変形させます。
これは、高強度レーザー光が光学装置に衝突すると、材料が光エネルギーの一部を吸収し、それを熱に変換するためです。酸化シリコン（石英）や熱伝導率が低いフッ化物カルシウム（蛍石）などの材料の場合、熱を効率的かつタイムリーに伝導することは困難であり、デバイスの局所的な過熱をもたらします。
この問題を解決するために、グループは特別なスーパーレンズとして透明な4H-SIC材料を準備しました。デバイスは1ドルのコインよりも薄く、その表面は、直径約200-400ナノメートルと深さ約1ミクロンの数億個のナノピラーで覆われています。
「シリコンカーバイド材料の高い屈折率のおかげで、ナノピラーのサイズを調整して市販のレンズの焦点機能を達成することにより、光の波面相を操作することができました。材料自体の優れた熱伝導率と組み合わせることで、より良い熱分散性能が薄いデバイスで実現されます。」 Chen Botaoは説明しています。
図
2。優れた熱安定性の実験的検証
実験では、研究者は、Mitutoyo顕微鏡目的レンズ（業界をリードする商業目的レンズ）と、チームがチームが開発した4H-SIC Superlensを同時に照射することにより、実際の産業シナリオをシミュレートしました。
結果は、{15- watt、1030- nmパルスレーザー照射の下で、4H-sicスーパーレンズの温度が3.2度しか増加しなかったことを示しており、焦点シフトは従来の対物レンズのそれの10分の1しかなかったことを示しています。
従来の熱散逸方法は、通常、目的レンズの外側に水冷リングを設置して、冷却水を循環させることでデバイスによって吸収された熱を除去することです。このソリューションは複雑で費用がかかるだけでなく、エネルギー消費と炭素排出量を大幅に増加させ、水冷装置を稼働させ続けるために追加のシステムが必要です。
対照的に、チームが提案したソリューションは、ミラーフレームにスーパーレンを取り付け、非常に効率的なソリッドステートの熱伝達を利用して熱を迅速に輸出するだけで、熱散逸成分の必要性を排除します。これにより、継続的で安定した動作が可能になるだけでなく、使用とメンテナンスの要件が大幅に簡素化されます。
図
3。処理の課題を克服し、大量生産に向かって移動します
ダイヤモンドに次ぐMOHSの硬度を備えた高硬度の材料として、炭化シリコンを処理するのは非常に困難です。新しいエネルギー車両の高出力チップで使用されていますが、2次元トランジスタは、3次元構造を持つマイクロオプティックデバイスとナノ光学装置とは大きく異なります。
「半分のコインのサイズの領域で数億個の小さなナノメートルサイズの柱を処理する必要があります。これらのナノピラーは、一貫した形状で薄くて深くなければならないだけでなく、調整の困難さを増す必要があります。」チェン・ボタオは言った。
写真丨Qiu Minのグループ写真
チームが大量生産と互換性のあるマイクロナノ処理プロセスを採用したことに言及する価値があります。 Qiu MinのグループのMicro-Nano Optoelectronicsの分野における20年以上の技術的蓄積は、この研究のための強固な基盤を築いてきました。
処理プロセスを調査するプロセスでは、研究者は科学的研究結果と市場需要の適用を完全に検討したため、デバイスの振幅は、従来の対物レンズの完全な交換を実現するのに十分な大きさでなければなりません。テクノロジーの以前の蓄積に基づいて、彼らはこの処理プロセスを改善し、拡張現実メガネ用の製品をリリースしました。
現在、研究者はさまざまなニーズのためにさまざまなシリコンカーバイドスーパーレンズを生産しており、低コストと高収量の方向に特化した詳細なプログラムを開発しています。レポートによると、このユニークなプロセスはいくつかの協同組合企業に適用されています。さらに、チームはまた、この技術の継続的な開発を促進するためにいくつかの機関と協力しています。
