Team van de Westlake University ontwikkelt nieuwe SiC metalens met veelbelovende thermische managementmogelijkheden voor high-power lasersystemen

De onderzoeksgroep onder leiding van prof. Min Qiu aan de Westlake University heeft met succes een nieuwe homogene 4H-SiC (siliciumcarbide) metalens ontwikkeld, die een unieke oplossing biedt om thermische drift in high-power laserbewerking aan te pakken.

Door gebruik te maken van de hoge thermische geleidbaarheid en lage verlieskarakteristieken van 4H-SiC, onderdrukt de nieuwe metalens effectief thermische drift zonder de noodzaak van complexe externe koelsystemen.

Deze doorbraak biedt niet alleen cruciale ondersteuning voor high-power lasersystemen, maar opent ook nieuwe mogelijkheden in precisie-instrumentatie, poolonderzoek, ruimtevaart en andere gebieden. In toepassingen die een extreem hoge bewerkingsnauwkeurigheid en oppervlaktekwaliteit vereisen, kan de 4H-SiC metalens een cruciale rol spelen bij het bieden van een efficiëntere en compactere oplossing voor high-power lasersystemen.

Het bijbehorende artikel, getiteld “4H-SiC Metalens: Mitigating Thermal Drift Effect in High-Power Laser Irradiation,” is onlangs gepubliceerd in Advanced Materials [1].

Een nieuwe strategie voor het aanpakken van thermische drift in high-power laserbewerking

Onderzoekers observeerden een terugkerend probleem bij precisiesnijden met high-power lasers: langdurige werking leidde tot warmteophoping in lenzen, waardoor interne optische elementen vervormden en de bewerkingsconsistentie en -morfologie verslechterden.

Dit komt voort uit de gedeeltelijke absorptie van laserenergie door optische componenten, die wordt omgezet in warmte. In materialen zoals kwarts en CaF₂ met een slechte thermische geleidbaarheid treedt lokale oververhitting op als gevolg van ineffectieve warmteafvoer.

Om dit op te lossen, fabriceerde het team een transparante 4H-SiC metalens met miljarden nanopilaren (200–400 nm in diameter en ~1 µm diep) die op het oppervlak waren aangebracht.

“Dankzij de hoge brekingsindex van SiC kunnen we door het afstemmen van de nanopilaarafmetingen de optische fase manipuleren en een focusprestatie bereiken die vergelijkbaar is met commerciële lenzen. In combinatie met de hoge thermische geleidbaarheid, wordt efficiënte warmteafvoer gerealiseerd in een veel dunner apparaat,” aldus Boqu Chen.

Experimentele demonstratie van uitstekende thermische stabiliteit

Onder gesimuleerde industriële omstandigheden vergeleek het team hun 4H-SiC metalens met een toonaangevende commerciële objectieflens van Mitutoyo Japan. Na continue 15 W, 1030 nm gepulseerde laserbestraling gedurende 1 uur, vertoonde de 4H-SiC metalens slechts een temperatuurstijging van 3,2 °C, met een focusverschuiving van slechts een tiende van die waargenomen in traditionele objectieven.

Conventionele koeling is over het algemeen afhankelijk van externe waterkoelingsringen om warmte af te voeren, wat de systeemcomplexiteit, kosten, energieverbruik en CO2-uitstoot verhoogt.

In tegenstelling hiermee vereist de op metalens gebaseerde oplossing geen extra koelcomponenten — door simpelweg de lens te monteren, kan snelle warmte-extractie in vaste toestand plaatsvinden, waardoor stabiele, langdurige werking mogelijk is en het gebruik en onderhoud worden vereenvoudigd.

Op weg naar massaproductie

Meerdere soorten SiC metalenzen zijn nu gefabriceerd voor verschillende toepassingen, waarbij inspanningen worden verricht om de kosten te verlagen en de doorvoer te verhogen. De techniek is al toegepast in samenwerking met verschillende bedrijven en instellingen. 

4H-SiC metalenzen zullen naar verwachting de toepassing van high-power lasersystemen in steeds veeleisender omgevingen versnellen.

Door gebruik te maken van onze expertise in SiC-materialen, kunnen we een volledig assortiment SiC-gebaseerde producten leveren, waaronder:

4H-SiC en 6H-SiC substraten (onderzoek en apparaatkwaliteit, 2–6 inch)

SiC epitaxiale wafers (n-type / p-type, HPSI, aangepaste diktes en doping)

Optische kwaliteit SiC vensters en lenzen

Gepatroneerde SiC substraten voor opto-elektronische en MEMS-apparaten

Op maat bewerkte SiC componenten (warmtespreiders, lasermirrors, precisieonderdelen)

​

Laat het ons weten als u datasheets, offertes of op maat gemaakte oplossingen voor uw toepassing wenst.

Referentie

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