近日，西湖大學未來產(chan) 業(ye) 研究中心、工學院仇旻課題組成功研發出一種新型碳化矽光子器件，能夠有效減輕高功率激光加工中的熱漂移問題。團隊利用半導體(ti) 工藝，製備出大口徑、高精度的 4H-SiC 超透鏡，對標高性能商用物鏡，實現了衍射極限聚焦。經過長時間高功率激光輻照，器件性能仍然穩定，幾乎不受熱吸收影響。這一成果代表了高功率激光係統的重大突破，為(wei) 其應用和效率提升開辟了新視野。相關(guan) 研究成果以題為(wei) “4H-SiC metalens: Mitigating Thermal Drift Effect in High-Power Laser Irradiation”發表於(yu) 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(guan) 重要。然而，由於(yu) 傳(chuan) 統物鏡材料熱導率較低，在高功率激光輻照下難以及時、有效地散熱，導致透鏡因熱應力發生形變或熔化，造成焦點漂移、光學性能下降，甚至不可逆的損壞。這種熱漂移問題不僅(jin) 影響加工精度，還限製了生產(chan) 效率和設備的可靠性。盡管可以采用冷卻裝置來緩解散熱問題，但其增加了係統的體(ti) 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製熱漂移，又能保持高光學性能和緊湊尺寸的新型光學器件。

碳化矽（SiC）作為(wei) 第三代半導體(ti) 材料，具有寬禁帶、高熱導率、可見光至近紅外波段低損耗，以及優(you) 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、光電子學和光學領域展現出巨大潛力。仇旻課題組憑借二十餘(yu) 年的微納加工技術積累，針對 4H-SiC 材料開發了兼容批量化生產(chan) 的大麵積、高深寬比納米結構加工工藝。基於(yu) 該工藝的廣泛加工能力，團隊參照高性能商用物鏡的光學指標，設計了大口徑的 4H-SiC 超透鏡。最終，研究團隊成功實現了在嚴(yan) 苛條件下穩定耐久工作的高性能超透鏡器件，滿足了業(ye) 界對高功率激光加工中透射聚焦器件的嚴(yan) 格要求，推動了相關(guan) 產(chan) 業(ye) 的發展。

研究亮點

在本研究中，仇旻課題組設計並製備了一種同質的 4H-SiC 超透鏡，實現了對標商用物鏡的光學性能，同時成功減輕了高功率激光輻照下的熱漂移效應（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範圍內(nei) 低損耗、優(you) 異的機械硬度、耐化學性以及高熱傳(chuan) 導係數等優(you) 點。光學測試結果表明，4H-SiC 超透鏡具備與(yu) 商用物鏡相當的光學性能。在高功率激光輻照測試中，模擬了嚴(yan) 苛工況下的長時間連續加工，4H-SiC 超透鏡展現了穩定的性能，同時擺脫了對複雜冷卻係統的依賴，為(wei) SiC 光子學開辟了新的應用前景。

圖1. 4H-SiC超透鏡（左）與(yu) 傳(chuan) 統物鏡（右）的熱漂移效應示意圖

這款 4H-SiC 超透鏡對標高性能商用物鏡（Mitutoyo 378-822-5），設計目標為(wei) 0.5 數值孔徑（NA）和 1 cm 焦距。值得注意的是，4H-SiC 超透鏡的孔徑寬度為(wei) 1.15 cm，超過高功率激光器通常產(chan) 生的光束尺寸，具有廣泛的適配性。為(wei) 兼顧設計與(yu) 製備，器件采用了各向同性的納米柱作為(wei) 超胞（如圖2a 所示），高度為(wei) H = 1 µm，以截斷波導的形式提供動態相位。相鄰超胞之間的周期為(wei) P = 0.6 µm，在該周期下可以實現衍射極限聚焦。由於(yu) 4H-SiC 的雙折射會(hui) 導致 x 和 y 偏振入射之間出現輕微的相位差，研究團隊通過最小化品質因數來優(you) 化每個(ge) 超胞。最終得到 8 種尺寸的超胞（圖2b-d），每個(ge) 選定的超胞在 1.060 µm 波長下實現對應目標的相位調製，同時具有大於(yu) 0.85 且對偏振不敏感的高透射率。

圖2. 4H-SiC超表麵單元的光學響應

4H-SiC 超透鏡的製備采用了電子束光刻、物理氣相沉積和電感耦合等離子體(ti) 刻蝕等一係列半導體(ti) 加工工藝。在 1.15×1.15 cm² 的襯底表麵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構周期為(wei) 600 nm，填充因子為(wei) 0.3 至 0.78，結構高度為(wei) 1.009 µm。樣品表征結果證明了加工工藝的優(you) 異性。這種大麵積、高精度、高深寬比的超表麵製備方法可應用於(yu) 同類器件，實現批量化生產(chan) 。
利用自主搭建的透射顯微成像係統（如圖3f 所示）對 4H-SiC 超透鏡的光學性能進行了測試。該係統將波長為(wei) 1030 nm 的平行激光垂直引導至 4H-SiC 超透鏡上，通過同軸顯微鏡係統實現 CCD 成像。在焦平麵 ±35 µm 範圍內(nei) 進行步進掃描測試，獲得了焦平麵和焦場的成像（如圖3g-h 所示）。數據分析顯示，1 cm 焦距處的焦場呈現平滑的高斯分布。焦平麵測試中的光強分布展現了優(you) 異的聚焦性能（圖3i-j），焦點的半高全寬為(wei) 2.9 µm。根據測試結果計算得出，4H-SiC 超透鏡的聚焦效率為(wei) 96.31%。使用光功率計測量 4H-SiC 超透鏡的入射麵和出射麵，測得器件的透射率為(wei) 0.71。基於(yu) 這些光學測試結果，4H-SiC 超透鏡展現出與(yu) 商用物鏡相媲美的光學指標，能夠在激光加工係統中實現相同的加工能力。

圖3. 4H-SiC超透鏡形貌表征與(yu) 光學測試

為(wei) 了模擬激光加工中嚴(yan) 苛的高功率連續加工條件，在熱漂移測試中采用了與(yu) 光學測試相同的光路，但光源替換為(wei) 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工作 1 小時內(nei) 的器件溫度、焦平麵和切割效果的變化。通過紅外熱成像儀(yi) 測得的器件表麵溫度變化如圖4a-b 所示。在高功率激光照射 60 分鍾後，4H-SiC 超透鏡的器件溫度僅(jin) 上升了 3.2℃，溫度變化僅(jin) 為(wei) 物鏡（升溫 54.0℃）的 6%。與(yu) 傳(chuan) 統物鏡相比，4H-SiC 超透鏡在沒有附加冷卻組件的情況下，運行約 10 分鍾後即可達到穩定溫度，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了 4H-SiC 超透鏡在苛刻工況下的有效性。
為(wei) 了反映器件光學性能的變化，利用 CCD 記錄了 1 小時內(nei) 器件焦平麵偏移的情況（如圖4c-d 所示）。測試結果表明，4H-SiC 超透鏡的焦點沒有明顯偏移，而商用物鏡的焦點在 30 分鍾後出現明顯偏移，最終由於(yu) 過度偏移導致 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，將焦點坐標與(yu) 初始位置進行比較，得到了麵內(nei) 位移數據。經過 1 小時的高功率激光連續照射，移動 Z 軸平台回到焦平麵的位移距離，得到器件沿光軸方向的偏移量。商用物鏡的焦平麵偏移為(wei) 213 µm，而 4H-SiC 超透鏡的焦平麵偏移僅(jin) 為(wei) 13 µm，表明其在高功率激光連續輻照期間具有出色的光學穩定性和一致性。
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(wei) 被切割材料。通過步進掃參測試校準切割光路，校準後每隔 10 分鍾沿 x 方向切割，記錄 1 小時內(nei) 的切割效果變化。利用光學顯微鏡表征被切割晶圓橫截麵的切割形貌（如圖4e-f 所示）。結果顯示，4H-SiC 超透鏡在工作 60 分鍾後，激光切割性能保持穩定，而商用物鏡的焦點在 30 分鍾後明顯向襯底內(nei) 部偏移。數據分析發現，4H-SiC 超透鏡在工作 1 小時後切割深度的變化量僅(jin) 為(wei) 商用物鏡變化量的 11.4%。實驗結果驗證了焦平麵偏移的測試，體(ti) 現了 4H-SiC 超透鏡在實際工業(ye) 應用中更優(you) 異的器件穩定性。

圖4. 高功率激光輻照下4H-SiC超透鏡熱漂移測試

總結與(yu) 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。實驗結果表明，4H-SiC 超透鏡憑借其卓越的熱導率，實現了優(you) 異的熱穩定性和光學性能。該超透鏡對標高性能商用物鏡的光學指標，基於(yu) 納米柱超胞，實現了對偏振不敏感的高效聚焦。通過兼容量產(chan) 的半導體(ti) 加工工藝，成功解決(jue) 了大口徑 4H-SiC 超透鏡的製備難題。實驗顯示，該超透鏡在設計焦距處實現了衍射極限聚焦，並在高功率激光連續輻照下表現出卓越的穩定性，焦點偏移極小，遠優(you) 於(yu) 商用物鏡。在激光切割應用中，使用該超透鏡的切割形貌變化較小。這些結果凸顯了 4H-SiC 超透鏡相較於(yu) 傳(chuan) 統物鏡的卓越性能，而傳(chuan) 統物鏡通常需要複雜的冷卻係統才能達到類似的穩定性水平。展望未來，隨著進一步的研究和優(you) 化，4H-SiC 超透鏡有望在高功率激光係統中得到廣泛應用，推動相關(guan) 領域的發展。憑借其緊湊的設計和卓越的光學與(yu) 熱性能，這種新一代超表麵器件可應用於(yu) 增強現實、航空航天和激光加工等領域，有效解決(jue) 當前工業(ye) 中的關(guan) 鍵熱管理問題。

浙江大學-西湖大學聯合培養(yang) 博士研究生陳博取和孫瀟雨為(wei) 共同第一作者，西湖大學仇旻教授、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、西湖大學光電研究院趙鼎研究員為(wei) 論文共同通訊作者。研究工作得到國家自然科學基金和廣東(dong) 省基礎與(yu) 應用基礎研究基金支持，同時得到了西湖大學未來產(chan) 業(ye) 研究中心、先進微納加工與(yu) 測試平台的大力支持。

(來源：西湖大學未來產(chan) 業(ye) 研究中心、工學院仇旻課題組)