激光加工技術(shù)的效能提升高度依賴光學(xué)系統(tǒng)的精準(zhǔn)聚焦能力，但傳統(tǒng)透鏡在強(qiáng)激光輻照下因熱積累導(dǎo)致的性能退化問題長期制約其應(yīng)用。針對這一挑戰(zhàn)，西湖大學(xué)仇旻團(tuán)隊開發(fā)的??4H-SiC超透鏡??通過材料與結(jié)構(gòu)協(xié)同創(chuàng)新，實現(xiàn)了熱穩(wěn)定性與光學(xué)性能的突破性平衡，為高功率激光系統(tǒng)提供了革新性解決方案。

 

??熱失控：傳統(tǒng)透鏡的致命缺陷?
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在精密激光加工場景中，物鏡需長期承受數(shù)千瓦級激光能量輸入。傳統(tǒng)螢石或合成石英透鏡因熱導(dǎo)率不足（<10 W/m·K），導(dǎo)致局部溫升引發(fā)材料形變，進(jìn)而造成焦點漂移（典型值>200 μm）和光學(xué)像差惡化。以商用Mitutoyo物鏡為例，在15 W、1030 nm激光連續(xù)輻照1小時后，其溫度驟升54℃，焦平面偏移達(dá)213 μm，最終因熱應(yīng)力熔融而失效。盡管水冷系統(tǒng)可部分緩解問題，但其體積龐大（>500 cm³）、能耗高（冷卻功耗占比超30%），且引入振動干擾，嚴(yán)重限制了設(shè)備集成度與可靠性。

 

超表面技術(shù)：熱管理新范式?
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超表面通過亞波長尺度人工結(jié)構(gòu)調(diào)控光場相位與振幅，為熱管理提供了新思路?，F(xiàn)有方案分為兩類：
 

4H-SiC超透鏡：熱-光協(xié)同優(yōu)化
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本研究提出的4H-SiC超透鏡通過三大創(chuàng)新突破熱管理瓶頸：
 

性能驗證：熱穩(wěn)定性量化對比?
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在極端工況測試中（15 W、1030 nm激光連續(xù)輻照1小時）：

圖1| 4H-SiC 金屬膜（左）和傳統(tǒng)物鏡（右）的熱漂移效應(yīng)示意圖。使用 15 W 1030 nm 激光切割 4H-SiC 基底的截面圖，比較 60 分鐘操作前后的切割性能。 

圖2| 4H-SiC 超表面單元的光學(xué)響應(yīng)。 a) 以 4H-SiC 為基底單片制作的超透鏡示意圖。D 和 H 分別為納米柱的直徑和高度。b) 所選超構(gòu)單元在 x 偏振（藍(lán)色星號）和 y 偏振（紅色星號）情況下對 1064 納米波長的相位調(diào)制。帶圓圈的直線代表目標(biāo)相位。所選直徑分別為 200、255、285、310、340、370、410 和 465 nm。 c) 所選超構(gòu)單元在 1064 nm 波長下的透射率。剖面圖顯示了所選八個單元的波導(dǎo)-類比行為。

圖3| 超透鏡的形態(tài)和光學(xué)特征。a) 在單片 4H-SiC 襯底上制作的 1.15 × 1.15 平方厘米超透鏡的照片。 b) 制作的超透鏡的原子力顯微鏡圖像。 c,d) 超透鏡的俯視掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。e) 超透鏡的 45° 斜視SEM圖像。 f) 光學(xué)測量裝置示意圖。 g) 使用 1030 納米激光測量 1 厘米（±35 微米）處設(shè)計焦斑周圍的焦斑強(qiáng)度分布。焦斑直徑為 4 微米。 i,j) 分別沿 Y = 0 和 X = 0 線的焦平面歸一化強(qiáng)度剖面圖。藍(lán)點為測量數(shù)據(jù)，紅線為擬合結(jié)果。

圖4| 4H-SiC 超透鏡的激光誘導(dǎo)熱漂移測試。a) 15 W 1030 nm 激光照射 4H-SiC 金屬片和物鏡 60 分鐘后的熱圖像。b) 測得的溫度變化對比。 c) 沿激光照射焦平面的 CCD 圖像。 d) 焦平面的位移變化對比。 e) 使用 15 W 1030 nm 激光 60 分鐘對 4H-SiC 基材進(jìn)行激光切割的橫截面圖像。f) 激光切割深度變化比較。

產(chǎn)業(yè)化路徑與前景?
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當(dāng)前技術(shù)瓶頸在于：

團(tuán)隊已成功將工藝遷移至6英寸晶圓產(chǎn)線，良率提升至75%，并聯(lián)合企業(yè)開發(fā)出適配光纖激光器的模塊化超透鏡組件（尺寸<3×3 cm³）。未來可拓展至紫外波段（200-400 nm）超透鏡，應(yīng)用于半導(dǎo)體光刻與量子點制造。

結(jié)語?
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4H-SiC超透鏡通過材料本征優(yōu)勢與超表面設(shè)計的協(xié)同創(chuàng)新，首次在單器件層面同時實現(xiàn)高聚焦效率（>96%）與抗熱失配能力（ΔT<5℃），為高功率激光精密加工、空間遙感、深紫外光刻等場景提供了顛覆性解決方案。這一突破標(biāo)志著光子器件從“功能主導(dǎo)”向“熱-光-機(jī)協(xié)同優(yōu)化”的范式轉(zhuǎn)變，有望重塑激光技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)路線圖。

4H-SiC超透鏡憑借其??無與倫比的熱穩(wěn)定性??與??衍射極限聚焦能力??，為高功率激光加工、精密制造等領(lǐng)域提供了革新性解決方案。上海知明鑫不僅提供從設(shè)計優(yōu)化到晶圓級量產(chǎn)的全流程技術(shù)支持，更針對客戶場景定制抗熱漂移方案，配套高可靠性封裝服務(wù)（如真空隔振、智能溫控），確保器件在極端工況下的長效穩(wěn)定運行。未來，我們將持續(xù)拓展其在AR光波導(dǎo)、量子通信等新興領(lǐng)域的應(yīng)用，以“材料+工藝+服務(wù)”三位一體的創(chuàng)新模式，助力客戶突破技術(shù)瓶頸，定義行業(yè)新標(biāo)準(zhǔn)。


以下產(chǎn)品為知明SiC襯底 4H類型：
 

以下產(chǎn)品為知明SiC 透鏡：

 

如需定制或加工4H-SiC 透鏡的相關(guān)服務(wù)，上海知明鑫將提供從設(shè)計到量產(chǎn)的全流程技術(shù)支持與高效生產(chǎn)服務(wù)。