Westlake Üniversitesi Ekibi, Yüksek Güçlü Lazer Sistemleri için Umut Vadeden Termal Yönetim Yeteneklerine Sahip Yeni Bir SiC Metalens Geliştirdi

Westlake Üniversitesi'nden Prof. Min Qiu liderliğindeki araştırma grubu, yüksek güçlü lazer işlemede termal kaymayı ele almak için benzersiz bir çözüm sunan yeni bir homojen 4H-SiC (silisyum karbür) metalens geliştirmeyi başardı.

4H-SiC'nin yüksek termal iletkenlik ve düşük kayıp özelliklerinden yararlanan yeni metalens, karmaşık harici soğutma sistemlerine ihtiyaç duymadan termal kaymayı etkili bir şekilde bastırır.

Bu atılım sadece yüksek güçlü lazer sistemleri için çok önemli bir destek sağlamakla kalmıyor, aynı zamanda hassas enstrümantasyon, kutup araştırmaları, havacılık ve uzay ve diğer alanlarda da yeni olanakların kapılarını açıyor. Son derece yüksek işleme hassasiyeti ve yüzey kalitesi gerektiren uygulamalarda, 4H-SiC metalens, yüksek güçlü lazer sistemleri için daha verimli ve kompakt bir çözüm sunmada hayati bir rol oynayabilir.

İlgili makale “4H-SiC Metalens: Yüksek Güçlü Lazer Işınlamada Termal Kayma Etkisini Azaltma,” başlığıyla yakın zamanda Advanced Materials [1] dergisinde yayınlandı.

Yüksek Güçlü Lazer İşlemede Termal Kaymayı Ele Almak İçin Yeni Bir Strateji

Araştırmacılar, yüksek güçlü lazer hassas kesiminde tekrarlayan bir sorun gözlemlediler: Uzun süreli çalışma, merceklerde ısı birikmesine, iç optik elemanların deforme olmasına ve işleme tutarlılığının ve morfolojisinin bozulmasına yol açtı.

Bu durum, lazer enerjisinin optik bileşenler tarafından kısmen emilmesinden kaynaklanmaktadır ve bu da ısıya dönüşür. Kötü termal iletkenliğe sahip kuvars ve CaF₂ gibi malzemelerde, etkisiz ısı dağılımı nedeniyle yerel aşırı ısınma meydana gelir.

Bunu çözmek için ekip, yüzeyinde milyarlarca nanopillar (çapı 200–400 nm ve ~1 µm derinliğinde) tasarlanmış şeffaf bir 4H-SiC metalens üretti.

“SiC'nin yüksek kırılma indisi sayesinde, nanopillar boyutlarını ayarlayarak optik fazı manipüle edebilir ve ticari merceklerle karşılaştırılabilir odaklama performansı elde edebiliriz. Yüksek termal iletkenliği ile birleştiğinde, çok daha ince bir cihazda verimli ısı dağılımı sağlanır,” dedi Boqu Chen.

Olağanüstü Termal Kararlılığın Deneysel Gösterimi

Simüle edilmiş endüstriyel koşullar altında, ekip 4H-SiC metalenslerini Mitutoyo Japan'dan önde gelen bir ticari objektifle karşılaştırdı. 1 saat boyunca sürekli 15 W, 1030 nm darbeli lazer ışınlaması altında, 4H-SiC metalens sadece 3,2 °C sıcaklık artışı gösterdi ve odak kayması geleneksel objektiflerde gözlemlenenin sadece onda biriydi.

Geleneksel soğutma genellikle ısıyı uzaklaştırmak için harici su soğutma halkalarına dayanır, bu da sistem karmaşıklığını, maliyeti, enerji tüketimini ve karbon emisyonlarını artırır.

Buna karşılık, metalens tabanlı çözüm, ek soğutma bileşenleri gerektirmez — sadece merceğin takılması, hızlı katı hal ısı çekimi sağlar, bu da kullanımı ve bakımı basitleştirirken kararlı, uzun süreli çalışmaya olanak tanır.

Seri Üretime Doğru İlerlemek

Farklı uygulamalar için çok sayıda SiC metalens türü üretildi ve maliyetleri düşürme ve verimi artırma çalışmaları devam ediyor. Teknik, halihazırda çeşitli şirketler ve kurumlarla işbirliği içinde uygulanmaktadır. 

4H-SiC metalenslerin, yüksek güçlü lazer sistemlerinin giderek artan talepkar ortamlarda uygulanmasını hızlandırması bekleniyor.

SiC malzemelerindeki uzmanlığımızdan yararlanarak, aşağıdakiler dahil olmak üzere çok çeşitli SiC tabanlı ürünler sağlayabiliyoruz:

4H-SiC ve 6H-SiC alt tabakalar (araştırma ve cihaz sınıfı, 2–6 inç)

SiC epitaksiyel gofretler (n-tipi / p-tipi, HPSI, özel kalınlıklar ve katkılama)

Optik sınıf SiC pencereler ve mercekler

Desenli SiC alt tabakalar optoelektronik ve MEMS cihazları için

Özel işlenmiş SiC bileşenleri (ısı yayıcılar, lazer aynaları, hassas parçalar)

​

Uygulamanız için veri sayfaları, fiyat teklifleri veya özelleştirilmiş çözümler isterseniz lütfen bize bildirin.

Referans

1. Chen, B., et al. 4H-SiC Metalens: Yüksek Güçlü Lazer Işınlamada Termal Kayma Etkisini Azaltma. Advanced Materials, 2024, 2412414. https://doi.org/10.1002/adma.202412414