A equipe da Universidade de Westlake desenvolve novos SiC Metalens com capacidades promissoras de gerenciamento térmico para sistemas de laser de alta potência

O grupo de investigação liderado pelo Prof. Min Qiu da Universidade de Westlake desenvolveu com êxito um novo metaleno homogéneo 4H-SiC (carbono de silício),oferecendo uma solução única para resolver a deriva térmica no processamento a laser de alta potência.

Ao aproveitar a alta condutividade térmica e as características de baixa perda do 4H-SiC, os novos metalens suprimem efetivamente a deriva térmica sem a necessidade de sistemas de resfriamento externos complexos.

Este avanço não só fornece um apoio crucial para sistemas de laser de alta potência, mas também abre novas possibilidades em instrumentação de precisão, exploração polar, aeroespacial e outros campos.Em aplicações que exigem uma precisão de usinagem e uma qualidade de superfície extremamente elevadas, os metalens de 4H-SiC podem desempenhar um papel vital no fornecimento de uma solução mais eficiente e compacta para sistemas a laser de alta potência.

O artigo relacionado, intitulado4H-SiC Metalens: Mitigando o efeito de deriva térmica na irradiação a laser de alta potência,foi recentemente publicado emMateriais Avançados[1]

Uma nova estratégia para combater a deriva térmica no processamento a laser de alta potência

Os investigadores observaram um problema recorrente no corte de precisão a laser de alta potência: a operação a longo prazo levou a acúmulo de calor nas lentes,deformando os elementos ópticos internos e degradando a consistência e a morfologia da máquina.

Isto decorre da absorção parcial da energia do laser pelos componentes ópticos, que é convertida em calor.ocorre sobreaquecimento local devido a uma dissipação de calor ineficaz.

Para resolver isso, a equipe fabricou um metaleno 4H-SiC transparente com bilhões de nanopillares (200-400 nm de diâmetro e ~ 1 μm de profundidade) projetados em sua superfície.

Graças ao elevado índice de refração do SiC, ao ajustar as dimensões dos nanopillares, podemos manipular a fase óptica e alcançar um desempenho de focagem comparável às lentes comerciais.Combinado com o seuAlta condutividade térmicaO sistema de separação de calor é muito mais eficiente quando é utilizado num dispositivo muito mais fino, afirmou Boqu Chen.

Demonstração experimental de destacada estabilidade térmica

Em condições industriais simuladas, a equipa comparou os seus metalenos 4H-SiC com um objetivo comercial líder da Mitutoyo Japão.Irradiação a laser pulsante de 1030 nm durante 1 hora, os metalens 4H-SiC apresentaram apenas um aumento de temperatura de 3,2 °C, com desvio focal de apenas um décimo do observado nos objetivos tradicionais.

O resfriamento convencional geralmente depende de anéis externos de resfriamento a água para remover o calor, o que aumenta a complexidade do sistema, o custo, o consumo de energia e as emissões de carbono.

Em contrapartida, a solução à base de metalenos não requer componentes de arrefecimento adicionais.Operação a longo prazo, simplificando a utilização e a manutenção.

Avançando para a produção em massa

Vários tipos de metalenses SiC foram fabricados para diferentes aplicações, com esforços em andamento para reduzir custos e aumentar a produção.A técnica já foi aplicada em colaboração com várias empresas e instituições.

Espera-se que as metalenses 4H-SiC acelerem a aplicação de sistemas a laser de alta potência em ambientes cada vez mais exigentes.

Aproveitando a nossa experiência em materiais de SiC, somos capazes de fornecer uma gama completa de produtos à base de SiC, incluindo:

4H-SiC e 6H-SiCsubstratos(Classe de pesquisa e dispositivo, 2 ¢ 6 polegadas)

Orifícios epitaxiais de SiC(tipo n/tipo p, HPSI, espessuras personalizadas e dopagem)

De qualidade ópticaVidros e lentes de silicone

Substratos de SiC com padrãopara dispositivos optoeletrônicos e MEMS

Fabrico a mãoComponentes de SiC(dispersores de calor, espelhos a laser, peças de precisão)

- Não.

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Referência

1. Chen, B., et al.4H-SiC Metalens: Mitigando efeito de deriva térmica na irradiação a laser de alta potência.Materiais Avançados, 2024, 2412414.https://doi.org/10.1002/adma.202412414