近日，西湖大學(xué)未來產(chǎn)業(yè)研究中心、工學(xué)院仇旻課題組成功研發(fā)出一種新型碳化硅光子器件，能夠有效減輕高功率激光加工中的熱漂移問題。團隊利用半導(dǎo)體工藝，制備出大口徑、高精度的 4H-SiC 超透鏡，對標(biāo)高性能商用物鏡，實現(xiàn)了衍射極限聚焦。經(jīng)過長時間高功率激光輻照，器件性能仍然穩(wěn)定，幾乎不受熱吸收影響。這一成果代表了高功率激光系統(tǒng)的重大突破，為其應(yīng)用和效率提升開辟了新視野。相關(guān)研究成果以題為“4H-SiC metalens: Mitigating Thermal Drift Effect in High-Power Laser Irradiation”發(fā)表于國際期刊Advanced Materials。
研究背景
在激光加工中，精確的光束聚焦至關(guān)重要。然而，由于傳統(tǒng)物鏡材料熱導(dǎo)率較低，在高功率激光輻照下難以及時、有效地散熱，導(dǎo)致透鏡因熱應(yīng)力發(fā)生形變或熔化，造成焦點漂移、光學(xué)性能下降，甚至不可逆的損壞。這種熱漂移問題不僅影響加工精度，還限制了生產(chǎn)效率和設(shè)備的可靠性。盡管可以采用冷卻裝置來緩解散熱問題，但其增加了系統(tǒng)的體積、重量和成本，降低了器件的集成度和適用性。因此，迫切需要一種在高功率激光加工中既能抑制熱漂移，又能保持高光學(xué)性能和緊湊尺寸的新型光學(xué)器件。
碳化硅（SiC）作為第三代半導(dǎo)體材料，具有寬禁帶、高熱導(dǎo)率、可見光至近紅外波段低損耗，以及優(yōu)異的機械硬度等卓越特性，在高功率電子器件、高溫高頻器件、光電子學(xué)和光學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。仇旻課題組憑借二十余年的微納加工技術(shù)積累，針對 4H-SiC 材料開發(fā)了兼容批量化生產(chǎn)的大面積、高深寬比納米結(jié)構(gòu)加工工藝。基于該工藝的廣泛加工能力，團隊參照高性能商用物鏡的光學(xué)指標(biāo)，設(shè)計了大口徑的 4H-SiC 超透鏡。最終，研究團隊成功實現(xiàn)了在嚴(yán)苛條件下穩(wěn)定耐久工作的高性能超透鏡器件，滿足了業(yè)界對高功率激光加工中透射聚焦器件的嚴(yán)格要求，推動了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
研究亮點
在本研究中，仇旻課題組設(shè)計并制備了一種同質(zhì)的 4H-SiC 超透鏡，實現(xiàn)了對標(biāo)商用物鏡的光學(xué)性能，同時成功減輕了高功率激光輻照下的熱漂移效應(yīng)（如圖1所示）。選用的 4H-SiC 材料具有高折射率、可見光至近紅外光譜范圍內(nèi)低損耗、優(yōu)異的機械硬度、耐化學(xué)性以及高熱傳導(dǎo)系數(shù)等優(yōu)點。光學(xué)測試結(jié)果表明，4H-SiC 超透鏡具備與商用物鏡相當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)性能。在高功率激光輻照測試中，模擬了嚴(yán)苛工況下的長時間連續(xù)加工，4H-SiC 超透鏡展現(xiàn)了穩(wěn)定的性能，同時擺脫了對復(fù)雜冷卻系統(tǒng)的依賴，為 SiC 光子學(xué)開辟了新的應(yīng)用前景。
圖1. 4H-SiC超透鏡（左）與傳統(tǒng)物鏡（右）的熱漂移效應(yīng)示意圖
這款 4H-SiC 超透鏡對標(biāo)高性能商用物鏡（Mitutoyo 378-822-5），設(shè)計目標(biāo)為 0.5 數(shù)值孔徑（NA）和 1 cm 焦距。值得注意的是，4H-SiC 超透鏡的孔徑寬度為 1.15 cm，超過高功率激光器通常產(chǎn)生的光束尺寸，具有廣泛的適配性。為兼顧設(shè)計與制備，器件采用了各向同性的納米柱作為超胞（如圖2a 所示），高度為 H = 1 μm，以截斷波導(dǎo)的形式提供動態(tài)相位。相鄰超胞之間的周期為 P = 0.6 μm，在該周期下可以實現(xiàn)衍射極限聚焦。由于 4H-SiC 的雙折射會導(dǎo)致 x 和 y 偏振入射之間出現(xiàn)輕微的相位差，研究團隊通過最小化品質(zhì)因數(shù)來優(yōu)化每個超胞。最終得到 8 種尺寸的超胞（圖2b-d），每個選定的超胞在 1.060 μm 波長下實現(xiàn)對應(yīng)目標(biāo)的相位調(diào)制，同時具有大于 0.85 且對偏振不敏感的高透射率。
圖2. 4H-SiC超表面單元的光學(xué)響應(yīng)
4H-SiC 超透鏡的制備采用了電子束光刻、物理氣相沉積和電感耦合等離子體刻蝕等一系列半導(dǎo)體加工工藝。在 1.15×1.15 cm2 的襯底表面上加工了完全填充的高深寬比納米柱。如圖3a-e 所示，通過掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡測得結(jié)構(gòu)周期為 600 nm，填充因子為 0.3 至 0.78，結(jié)構(gòu)高度為 1.009 μm。樣品表征結(jié)果證明了加工工藝的優(yōu)異性。這種大面積、高精度、高深寬比的超表面制備方法可應(yīng)用于同類器件，實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。
利用自主搭建的透射顯微成像系統(tǒng)（如圖3f 所示）對 4H-SiC 超透鏡的光學(xué)性能進行了測試。該系統(tǒng)將波長為 1030 nm 的平行激光垂直引導(dǎo)至 4H-SiC 超透鏡上，通過同軸顯微鏡系統(tǒng)實現(xiàn) CCD 成像。在焦平面 ±35 μm 范圍內(nèi)進行步進掃描測試，獲得了焦平面和焦場的成像（如圖3g-h 所示）。數(shù)據(jù)分析顯示，1 cm 焦距處的焦場呈現(xiàn)平滑的高斯分布。焦平面測試中的光強分布展現(xiàn)了優(yōu)異的聚焦性能（圖3i-j），焦點的半高全寬為 2.9 μm。根據(jù)測試結(jié)果計算得出，4H-SiC 超透鏡的聚焦效率為 96.31%。使用光功率計測量 4H-SiC 超透鏡的入射面和出射面，測得器件的透射率為 0.71。基于這些光學(xué)測試結(jié)果，4H-SiC 超透鏡展現(xiàn)出與商用物鏡相媲美的光學(xué)指標(biāo)，能夠在激光加工系統(tǒng)中實現(xiàn)相同的加工能力。
圖3. 4H-SiC超透鏡形貌表征與光學(xué)測試
為了模擬激光加工中嚴(yán)苛的高功率連續(xù)加工條件，在熱漂移測試中采用了與光學(xué)測試相同的光路，但光源替換為 15 W 1030 nm 激光器。分別測試了 4H-SiC 超透鏡和商用物鏡在連續(xù)工作 1 小時內(nèi)的器件溫度、焦平面和切割效果的變化。通過紅外熱成像儀測得的器件表面溫度變化如圖4a-b 所示。在高功率激光照射 60 分鐘后，4H-SiC 超透鏡的器件溫度僅上升了 3.2℃，溫度變化僅為物鏡（升溫 54.0℃）的 6%。與傳統(tǒng)物鏡相比，4H-SiC 超透鏡在沒有附加冷卻組件的情況下，運行約 10 分鐘后即可達到穩(wěn)定溫度，且溫度變化較小、工作溫度更低。這種卓越的熱管理性能展現(xiàn)了 4H-SiC 超透鏡在苛刻工況下的有效性。
為了反映器件光學(xué)性能的變化，利用 CCD 記錄了 1 小時內(nèi)器件焦平面偏移的情況（如圖4c-d 所示）。測試結(jié)果表明，4H-SiC 超透鏡的焦點沒有明顯偏移，而商用物鏡的焦點在 30 分鐘后出現(xiàn)明顯偏移，最終由于過度偏移導(dǎo)致 CCD 無法成像。通過圖像處理得到焦點的半高全寬和中心坐標(biāo)，將焦點坐標(biāo)與初始位置進行比較，得到了面內(nèi)位移數(shù)據(jù)。經(jīng)過 1 小時的高功率激光連續(xù)照射，移動 Z 軸平臺回到焦平面的位移距離，得到器件沿光軸方向的偏移量。商用物鏡的焦平面偏移為 213 μm，而 4H-SiC 超透鏡的焦平面偏移僅為 13 μm，表明其在高功率激光連續(xù)輻照期間具有出色的光學(xué)穩(wěn)定性和一致性。
使用相同的光路進行激光切割實驗，比較了實際激光切割過程中熱漂移對加工效果的影響。實驗選用加工難度極高的 4H-SiC 晶圓作為被切割材料。通過步進掃參測試校準(zhǔn)切割光路，校準(zhǔn)后每隔 10 分鐘沿 x 方向切割，記錄 1 小時內(nèi)的切割效果變化。利用光學(xué)顯微鏡表征被切割晶圓橫截面的切割形貌（如圖4e-f 所示）。結(jié)果顯示，4H-SiC 超透鏡在工作 60 分鐘后，激光切割性能保持穩(wěn)定，而商用物鏡的焦點在 30 分鐘后明顯向襯底內(nèi)部偏移。數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，4H-SiC 超透鏡在工作 1 小時后切割深度的變化量僅為商用物鏡變化量的 11.4%。實驗結(jié)果驗證了焦平面偏移的測試，體現(xiàn)了 4H-SiC 超透鏡在實際工業(yè)應(yīng)用中更優(yōu)異的器件穩(wěn)定性。
圖4. 高功率激光輻照下4H-SiC超透鏡熱漂移測試
總結(jié)與展望
本研究提出了一種能夠減輕高功率激光加工中熱漂移問題的 4H-SiC 超透鏡。實驗結(jié)果表明，4H-SiC 超透鏡憑借其卓越的熱導(dǎo)率，實現(xiàn)了優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和光學(xué)性能。該超透鏡對標(biāo)高性能商用物鏡的光學(xué)指標(biāo)，基于納米柱超胞，實現(xiàn)了對偏振不敏感的高效聚焦。通過兼容量產(chǎn)的半導(dǎo)體加工工藝，成功解決了大口徑 4H-SiC 超透鏡的制備難題。實驗顯示，該超透鏡在設(shè)計焦距處實現(xiàn)了衍射極限聚焦，并在高功率激光連續(xù)輻照下表現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性，焦點偏移極小，遠(yuǎn)優(yōu)于商用物鏡。在激光切割應(yīng)用中，使用該超透鏡的切割形貌變化較小。這些結(jié)果凸顯了 4H-SiC 超透鏡相較于傳統(tǒng)物鏡的卓越性能，而傳統(tǒng)物鏡通常需要復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)才能達到類似的穩(wěn)定性水平。展望未來，隨著進一步的研究和優(yōu)化，4H-SiC 超透鏡有望在高功率激光系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，推動相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。憑借其緊湊的設(shè)計和卓越的光學(xué)與熱性能，這種新一代超表面器件可應(yīng)用于增強現(xiàn)實、航空航天和激光加工等領(lǐng)域，有效解決當(dāng)前工業(yè)中的關(guān)鍵熱管理問題。
浙江大學(xué)-西湖大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生陳博取和孫瀟雨為共同第一作者，西湖大學(xué)仇旻教授、季華實驗室潘美妍副研究員、慕德微納（杭州）科技有限公司杜凱凱博士、西湖大學(xué)光電研究院趙鼎研究員為論文共同通訊作者。研究工作得到國家自然科學(xué)基金和廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金支持，同時得到了西湖大學(xué)未來產(chǎn)業(yè)研究中心、先進微納加工與測試平臺的大力支持。
(來源：西湖大學(xué)未來產(chǎn)業(yè)研究中心、工學(xué)院仇旻課題組)
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