Η Ομάδα του Πανεπιστημίου Westlake Αναπτύσσει Νέο Μετα-φακό SiC με Υποσχόμενες Δυνατότητες Θερμικής Διαχείρισης για Συστήματα Laser Υψηλής Ισχύος

Η ερευνητική ομάδα υπό την καθοδήγηση του Καθ. Min Qiu στο Πανεπιστήμιο Westlake ανέπτυξε με επιτυχία ένα νέο ομογενές μετα-φακό 4H-SiC (καρβίδιο του πυριτίου), προσφέροντας μια μοναδική λύση για την αντιμετώπιση της θερμικής μετατόπισης στην επεξεργασία λέιζερ υψηλής ισχύος.

Αξιοποιώντας την υψηλή θερμική αγωγιμότητα και τα χαμηλά χαρακτηριστικά απώλειας του 4H-SiC, ο νέος μετα-φακός καταστέλλει αποτελεσματικά τη θερμική μετατόπιση χωρίς την ανάγκη πολύπλοκων εξωτερικών συστημάτων ψύξης.

Αυτή η ανακάλυψη όχι μόνο παρέχει κρίσιμη υποστήριξη για συστήματα λέιζερ υψηλής ισχύος, αλλά ανοίγει επίσης νέες δυνατότητες στην όργανα ακριβείας, την πολική εξερεύνηση, την αεροδιαστημική και άλλους τομείς. Σε εφαρμογές που απαιτούν εξαιρετικά υψηλή ακρίβεια μηχανουργικής κατεργασίας και ποιότητα επιφάνειας, ο μετα-φακός 4H-SiC μπορεί να διαδραματίσει ζωτικό ρόλο στην παροχή μιας πιο αποτελεσματικής και συμπαγούς λύσης για συστήματα λέιζερ υψηλής ισχύος.

Η σχετική εργασία, με τίτλο “4H-SiC Metalens: Mitigating Thermal Drift Effect in High-Power Laser Irradiation,” δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο , 2024, 2412414. [1].

Μια Νέα Στρατηγική για την Αντιμετώπιση της Θερμικής Μετατόπισης στην Επεξεργασία Laser Υψηλής Ισχύος

Οι ερευνητές παρατήρησαν ένα επαναλαμβανόμενο ζήτημα στην κοπή ακριβείας λέιζερ υψηλής ισχύος: η μακροχρόνια λειτουργία οδήγησε σε συσσώρευση θερμότητας στους φακούς, παραμορφώνοντας τα εσωτερικά οπτικά στοιχεία και υποβαθμίζοντας τη συνέπεια και τη μορφολογία της μηχανουργικής κατεργασίας.

Αυτό προέρχεται από την μερική απορρόφηση της ενέργειας λέιζερ από τα οπτικά εξαρτήματα, η οποία μετατρέπεται σε θερμότητα. Σε υλικά όπως ο χαλαζίας και το CaF₂ με κακή θερμική αγωγιμότητα, εμφανίζεται τοπική υπερθέρμανση λόγω αναποτελεσματικής απαγωγής θερμότητας.

Για την επίλυση αυτού, η ομάδα κατασκεύασε έναν διαφανή μετα-φακό 4H-SiC με δισεκατομμύρια νανο-στύλους (200–400 nm σε διάμετρο και ~1 µm βάθος) σχεδιασμένους στην επιφάνειά του.

“Χάρη στον υψηλό δείκτη διάθλασης του SiC, ρυθμίζοντας τις διαστάσεις των νανο-στύλων μπορούμε να χειριστούμε την οπτική φάση και να επιτύχουμε απόδοση εστίασης συγκρίσιμη με τους εμπορικούς φακούς. Σε συνδυασμό με την υψηλή θερμική αγωγιμότητα, επιτυγχάνεται αποτελεσματική απαγωγή θερμότητας σε μια πολύ λεπτότερη συσκευή,” δήλωσε ο Boqu Chen.

Πειραματική Επίδειξη Εξαιρετικής Θερμικής Σταθερότητας

Υπό συνθήκες προσομοίωσης βιομηχανικών συνθηκών, η ομάδα συνέκρινε τον μετα-φακό 4H-SiC με έναν κορυφαίο εμπορικό φακό από την Mitutoyo Japan. Με συνεχή ακτινοβολία παλμικού λέιζερ 15 W, 1030 nm για 1 ώρα, ο μετα-φακός 4H-SiC παρουσίασε μόνο αύξηση θερμοκρασίας 3,2 °C, με μετατόπιση εστίασης μόλις το ένα δέκατο αυτής που παρατηρήθηκε στους παραδοσιακούς φακούς.

Η συμβατική ψύξη βασίζεται γενικά σε εξωτερικούς δακτυλίους υδρόψυξης για την απομάκρυνση της θερμότητας, γεγονός που αυξάνει την πολυπλοκότητα του συστήματος, το κόστος, την κατανάλωση ενέργειας και τις εκπομπές άνθρακα.

Αντίθετα, η λύση που βασίζεται στον μετα-φακό δεν απαιτεί πρόσθετα εξαρτήματα ψύξης — η απλή τοποθέτηση του φακού επιτρέπει την ταχεία εξαγωγή θερμότητας σε στερεά κατάσταση, επιτρέποντας σταθερή, μακροχρόνια λειτουργία, απλοποιώντας παράλληλα τη χρήση και τη συντήρηση.

Προχωρώντας προς τη Μαζική Παραγωγή

Πολλαπλοί τύποι μετα-φακών SiC έχουν πλέον κατασκευαστεί για διαφορετικές εφαρμογές, με προσπάθειες σε εξέλιξη για τη μείωση του κόστους και την αύξηση της παραγωγικότητας. Η τεχνική έχει ήδη εφαρμοστεί σε συνεργασία με αρκετές εταιρείες και ιδρύματα. 

Οι μετα-φακοί 4H-SiC αναμένεται να επιταχύνουν την εφαρμογή συστημάτων λέιζερ υψηλής ισχύος σε ολοένα και πιο απαιτητικά περιβάλλοντα.

Αξιοποιώντας την τεχνογνωσία μας στα υλικά SiC, είμαστε σε θέση να παρέχουμε μια πλήρη γκάμα προϊόντων με βάση το SiC, συμπεριλαμβανομένων:

υποστρωμάτων 4H-SiC και 6H-SiC (ερευνητικού και βαθμού συσκευής, 2–6 ιντσών)επιταξιακών πλακιδίων SiC

(n-type / p-type, HPSI, προσαρμοσμένα πάχη και ντόπινγκ)Οπτικού βαθμού

παραθύρων και φακών SiCΥποστρωμάτων SiC με μοτίβο

για οπτοηλεκτρονικές και MEMS συσκευέςΕξατομικευμένων

εξαρτημάτων SiC (διαχυτήρες θερμότητας, καθρέφτες λέιζερ, εξαρτήματα ακριβείας)​

Ενημερώστε μας εάν επιθυμείτε δελτία δεδομένων, προσφορές ή προσαρμοσμένες λύσεις για την εφαρμογή σας.

Αναφορά

Chen, B., et al.

1. 4H-SiC Metalens: Mitigating Thermal Drift Effect in High-Power Laser Irradiation. Advanced Materials, 2024, 2412414. https://doi.org/10.1002/adma.202412414