Team der Westlake University entwickelt neuartige SiC-Metalllinse mit vielversprechenden Wärmemanagementfähigkeiten für Hochleistungs-Lasersysteme

Die Forschungsgruppe unter der Leitung von Prof. Min Qiu an der Westlake University hat erfolgreich eine neuartige homogene 4H-SiC (Siliziumkarbid)-Metalllinse entwickelt, die eine einzigartige Lösung zur Behebung der thermischen Drift in der Hochleistungs-Laserbearbeitung bietet.

Durch die Nutzung der hohen Wärmeleitfähigkeit und der geringen Verlustcharakteristika von 4H-SiC unterdrückt die neue Metalllinse effektiv die thermische Drift, ohne dass komplexe externe Kühlsysteme erforderlich sind.

Dieser Durchbruch bietet nicht nur entscheidende Unterstützung für Hochleistungs-Lasersysteme, sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten in der Präzisionsinstrumentierung, der Polarforschung, der Luft- und Raumfahrt und anderen Bereichen. In Anwendungen, die eine extrem hohe Bearbeitungsgenauigkeit und Oberflächenqualität erfordern, kann die 4H-SiC-Metalllinse eine wichtige Rolle spielen, indem sie eine effizientere und kompaktere Lösung für Hochleistungs-Lasersysteme bietet.

Das zugehörige Papier mit dem Titel “4H-SiC-Metalllinse: Minderung des thermischen Drift-Effekts bei Hochleistungs-Laserbestrahlung,” wurde kürzlich in Advanced Materials [1] veröffentlicht.

Eine neue Strategie zur Bekämpfung der thermischen Drift in der Hochleistungs-Laserbearbeitung

Forscher beobachteten ein wiederkehrendes Problem bei der Präzisionsbearbeitung mit Hochleistungs-Lasern: Der Langzeitbetrieb führte zu Wärmeansammlungen in den Linsen, wodurch sich interne optische Elemente verformten und die Bearbeitungskonsistenz und -morphologie beeinträchtigt wurden.

Dies resultiert aus der teilweisen Absorption der Laserenergie durch optische Komponenten, die in Wärme umgewandelt wird. In Materialien wie Quarz und CaF₂ mit schlechter Wärmeleitfähigkeit kommt es aufgrund einer ineffektiven Wärmeableitung zu lokaler Überhitzung.

Um dies zu lösen, fertigte das Team eine transparente 4H-SiC-Metalllinse mit Milliarden von Nanopfeilern (200–400 nm Durchmesser und ~1 µm Tiefe) an, die auf ihrer Oberfläche angebracht sind.

“Dank des hohen Brechungsindex von SiC können wir durch die Anpassung der Nanopfeiler-Abmessungen die optische Phase manipulieren und eine Fokussierungsleistung erzielen, die mit kommerziellen Linsen vergleichbar ist. In Kombination mit seiner hohen Wärmeleitfähigkeit wird eine effiziente Wärmeableitung in einem viel dünneren Gerät realisiert,” sagte Boqu Chen.

Experimenteller Nachweis der hervorragenden thermischen Stabilität

Unter simulierten industriellen Bedingungen verglich das Team seine 4H-SiC-Metalllinse mit einem führenden kommerziellen Objektiv von Mitutoyo Japan. Bei kontinuierlicher 15-W-Puls-Laserbestrahlung mit 1030 nm über 1 Stunde zeigte die 4H-SiC-Metalllinse nur einen Temperaturanstieg von 3,2 °C, wobei die Fokusverschiebung nur ein Zehntel der bei herkömmlichen Objektiven beobachteten betrug.

Konventionelle Kühlung beruht im Allgemeinen auf externen Wasserkühlringen zur Wärmeabfuhr, was die Systemkomplexität, die Kosten, den Energieverbrauch und die Kohlenstoffemissionen erhöht.

Im Gegensatz dazu benötigt die metalllinsenbasierte Lösung keine zusätzlichen Kühlkomponenten — die einfache Montage der Linse ermöglicht eine schnelle Festkörper-Wärmeextraktion, wodurch ein stabiler Langzeitbetrieb ermöglicht wird und gleichzeitig die Verwendung und Wartung vereinfacht werden.

Auf dem Weg zur Massenproduktion

Mehrere Arten von SiC-Metalllinsen wurden nun für verschiedene Anwendungen hergestellt, wobei Anstrengungen unternommen werden, um die Kosten zu senken und den Durchsatz zu erhöhen. Die Technik wurde bereits in Zusammenarbeit mit mehreren Unternehmen und Institutionen angewendet. 

Es wird erwartet, dass 4H-SiC-Metalllinsen die Anwendung von Hochleistungs-Lasersystemen in zunehmend anspruchsvollen Umgebungen beschleunigen werden.

Durch die Nutzung unserer Expertise in SiC-Materialien sind wir in der Lage, eine vollständige Palette von SiC-basierten Produkten zu liefern, darunter:

4H-SiC- und 6H-SiC-Substrate (Forschungs- und Gerätequalität, 2–6 Zoll)

SiC-Epitaxie-Wafer (n-Typ / p-Typ, HPSI, kundenspezifische Dicken und Dotierung)

Optische SiC-Fenster und -Linsen

Strukturierte SiC-Substrate für optoelektronische und MEMS-Geräte

Kundenspezifisch bearbeitete SiC-Komponenten (Wärmeverteiler, Laserspiegel, Präzisionsteile)

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Bitte lassen Sie uns wissen, wenn Sie Datenblätter, Angebote oder kundenspezifische Lösungen für Ihre Anwendung wünschen.

Referenz

1. Chen, B., et al. 4H-SiC-Metalllinse: Minderung des thermischen Drift-Effekts bei Hochleistungs-Laserbestrahlung. Advanced Materials, 2024, 2412414. https://doi.org/10.1002/adma.202412414