近日，西湖大學未來產業(yè)研究中心、工學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。團隊利用半導體工藝，制備出大口徑、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(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的重大突破，為其應用和效率提升開辟了新視野。相關研究成果以題為“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重要。然而，由于傳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(fā)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影響加工精度，還限制了生產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，但其增加了系統的體積、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，又能保持高光學性能和緊湊尺寸的新型光學器件。

碳化硅（SiC）作為第三代半導體材料，具有寬禁帶、高熱導率、可見光至近紅外波段低損耗，以及優(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、光電子學和光學領域展現出巨大潛力。仇旻課題組憑借二十余年的微納加工技術積累，針對 4H-SiC 材料開發(fā)了兼容批量化生產的大面積、高深寬比納米結構加工工藝。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格要求，推動了相關產業(yè)的發(fā)展。

研究亮點

在本研究中，仇旻課題組設計并制備了一種同質的 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范圍內低損耗、優(yōu)異的機械硬度、耐化學性以及高熱傳導系數等優(yōu)點。光學測試結果表明，4H-SiC 超透鏡具備與商用物鏡相當的光學性能。在高功率激光輻照測試中，模擬了嚴苛工況下的長時間連續(xù)加工，4H-SiC 超透鏡展現了穩(wěn)定的性能，同時擺脫了對復雜冷卻系統的依賴，為 SiC 光子學開辟了新的應用前景。

圖1. 4H-SiC超透鏡（左）與傳統物鏡（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 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 1.15 cm，超過高功率激光器通常產生的光束尺寸，具有廣泛的適配性。為兼顧設計與制備，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衍射極限聚焦。由于 4H-SiC 的雙折射會導致 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(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 波長下實現對應目標的相位調制，同時具有大于 0.85 且對偏振不敏感的高透射率。

圖2. 4H-SiC超表面單元的光學響應

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構周期為 600 nm，填充因子為 0.3 至 0.78，結構高度為 1.009 μm。樣品表征結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用于同類器件，實現批量化生產。
利用自主搭建的透射顯微成像系統（如圖3f 所示）對 4H-SiC 超透鏡的光學性能進行了測試。該系統將波長為 1030 nm 的平行激光垂直引導至 4H-SiC 超透鏡上，通過同軸顯微鏡系統實現 CCD 成像。在焦平面 ±35 μm 范圍內進行步進掃描測試，獲得了焦平面和焦場的成像（如圖3g-h 所示）。數據分析顯示，1 cm 焦距處的焦場呈現平滑的高斯分布。焦平面測試中的光強分布展現了優(yōu)異的聚焦性能（圖3i-j），焦點的半高全寬為 2.9 μm。根據測試結果計算得出，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。基于這些光學測試結果，4H-SiC 超透鏡展現出與商用物鏡相媲美的光學指標，能夠在激光加工系統中實現相同的加工能力。

圖3. 4H-SiC超透鏡形貌表征與光學測試

為了模擬激光加工中嚴苛的高功率連續(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了 4H-SiC 超透鏡在苛刻工況下的有效性。
為了反映器件光學性能的變化，利用 CCD 記錄了 1 小時內器件焦平面偏移的情況（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 分鐘后出現明顯偏移，最終由于過度偏移導致 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，將焦點坐標與初始位置進行比較，得到了面內位移數據。經過 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切割光路，校準后每隔 10 分鐘沿 x 方向切割，記錄 1 小時內的切割效果變化。利用光學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部偏移。數據分析發(fā)現，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%。實驗結果驗證了焦平面偏移的測試，體現了 4H-SiC 超透鏡在實際工業(yè)應用中更優(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。實驗結果表明，4H-SiC 超透鏡憑借其卓越的熱導率，實現了優(yōu)異的熱穩(wěn)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，基于納米柱超胞，實現了對偏振不敏感的高效聚焦。通過兼容量產的半導體加工工藝，成功解決了大口徑 4H-SiC 超透鏡的制備難題。實驗顯示，該超透鏡在設計焦距處實現了衍射極限聚焦，并在高功率激光連續(xù)輻照下表現出卓越的穩(wěn)定性，焦點偏移極小，遠優(yōu)于商用物鏡。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 超透鏡相較于傳統物鏡的卓越性能，而傳統物鏡通常需要復雜的冷卻系統才能達到類似的穩(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中得到廣泛應用，推動相關領域的發(fā)展。憑借其緊湊的設計和卓越的光學與熱性能，這種新一代超表面器件可應用于增強現實、航空航天和激光加工等領域，有效解決當前工業(yè)中的關鍵熱管理問題。

浙江大學-西湖大學聯合培養(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省基礎與應用基礎研究基金支持，同時得到了西湖大學未來產業(yè)研究中心、先進微納加工與測試平臺的大力支持。

(來源：西湖大學未來產業(yè)研究中心、工學院仇旻課題組)