本文作者：Boqu Chen, Xiaoyu Sun, Xiaoxuan Li, Lu Cai, Ding Zhao,* Kaikai Du,* Meiyan Pan,*and Min Qiu*
本文团队：季华实验室，西湖大学，幕德微纳
提高激光加工中的能量密度和效率：单体碳化硅超透镜的应用
激光加工中能量密度和效率的提高依赖于精确的光束聚焦，但这通常会导致光学透镜中严重的热吸收和焦点偏移。传统的冷却方法增加了成本和复杂性，严重限制了其应用的多样性。在此，介绍了单体碳化硅（SiC）超透镜，它在与高功率激光结合时展现出无与伦比的热稳定性。该金属透镜在0.5的数值孔径（NA）和1 cm的焦距下，能够实现衍射极限的聚焦。
在1030 nm脉冲激光（功率为15 W，持续1小时）照射下，该超透镜的温升仅为3.2°C，焦点偏移仅为14 μm（相对偏移为0.1%），仅为传统透镜偏移的6%。当使用相同激光切割4H-SiC基板时，经过1小时操作后，金属透镜的切割深度变化仅为11.4%，与焦点偏移结果一致。
这些结果揭示了一类开创性的紧凑型SiC光子设备，它们几乎不受热吸收的影响，代表着高功率激光系统的巨大飞跃，为其应用和效率开辟了新的视野。
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1. 引言
激光制造广泛应用于切割和焊接[1–4]、医疗手术[5–9]、通信[10,11]、传感[12,13]、军事[8,14,15]以及光谱学[8,16,17]等制造过程。这些应用依赖于光学元件，尤其是能够承受高功率激光并将激光束精确聚焦到特定目标的透镜。在传统的激光制造系统中，物镜通常由级联的氟石或合成替代品组成，并使用稀有气体保护这些透镜。然而，这些材料和周围气体的低热导率带来了挑战，即难以散发由于欧姆损失吸收的巨大热量。因此，在长期运行过程中，可能会发生热应力或熔化，导致光学性能下降，甚至可能造成不可逆的透镜损坏。传统的物镜冷却套由于体积较大且复杂性增加，进一步突显了对替代解决方案的需求。
近年来，超表面作为一种有前景的热调制方法引起了广泛关注。这个新兴领域大致分为辐射和导热热调制。辐射热调制利用光栅、多层膜和光子晶体等结构，通过控制热辐射率[18–26]，但由于其温度调制范围有限且响应速度较慢，存在一定的局限性。导热热调制进一步分为主动和被动方法。主动导热方法，如热电冷却，利用外部驱动器主动传递热量，从而促进快速散热[27–30]。例如，通过热电热源的自动演变和驱动电压的实时控制，在自适应超表面平台上实现了可编程热功能[31]。然而，这些系统通常较为庞大，限制了其高度集成。与此相反，被动导热方法则利用材料固有的热性能进行热调制，提供可靠且免维护的热控制。例如，单体金刚石超镜由于其高反射率和热导率，具有较高的热损伤阈值，使其适用于涉及高功率激光加工的应用[32]。尽管透射透镜在激光加工中扮演着至关重要的角色，但据我们所知，目前尚未有透射透镜在此领域的应用研究。
图1：4H-SiC超透镜（左）和传统物镜（右）的热漂移效应示意图。
底部的横截面图比较了使用15 W、1030 nm激光切割4H-SiC基板的性能，展示了在60分钟操作前后的切割效果。
超表面已被专门设计用来解决由热效应引起的光学行为。该领域的这一空白为在高功率或长期激光使用中提升光学性能和稳定性提供了研究机会。
我们的研究介绍了一种单体超透镜，用于减轻高功率激光照射中的热漂移效应，如图1所示。4H-SiC因其高折射率、可见光到近红外光谱中的低损耗、卓越的机械硬度、化学抗性以及在室温下显著的高热导率，成为理想的材料[33–40]，并在SiC光子学中得到了广泛应用。
我们实验展示了一个大面积（1.15 × 1.15 cm²）的4H-SiC超透镜，并与商用物镜的光学基准进行了对比，结果表明其在高激光功率下的长期操作中表现稳定。在使用30 W输出功率的1030 nm脉冲激光照射1小时后，金属透镜的设备温度仅上升了5.9%，焦点位置漂移为6.6%，与传统物镜相比表现优异。
当使用相同激光切割4H-SiC晶片时，4H-SiC金属透镜在1小时后的切割深度变化仅为11.4%，相比传统物镜更为稳定。我们的金属透镜通过消除复杂的冷却系统需求，提供了与大型物镜相媲美的光学性能，从而显著推进了激光加工技术，开辟了新的应用前景4H-SiC在光子学中的应用。
2. 设计与原理
与传统物镜相比，我们的金属透镜在设计时采用了与常规物镜（Mitutoyo 378-822-5）相同的参数。数值孔径（NA）为0.5，焦距为1 cm。对4H-SiC金属透镜的光学测试结果显示，实际的NA为0.4996，焦距为0.9970 cm。值得注意的是，我们的超透镜的孔径宽度为1.15 cm，较常见的高功率激光生成的光束尺寸要大。为了实现衍射极限的聚焦，我们设计了一个超双曲面函数的相位轮廓[41]。
其中，f为超透镜的焦距。这个相位轮廓通常被离散化为从 −𝜋 到 0.75𝜋 的八个相位级别，每级相位变化为0.25𝜋。这样，仅需八种尺寸的元原子来提供相应的相位，覆盖2𝜋的相位变化。为了减少制造难度，设计了各向同性的柱状结构作为元原子（图2a），并将其高度设置为H = 1 μm，作为截断波导提供动态相位。相邻元原子之间的中心间距设置为P = 0.6 μm，足够小以实现衍射极限的聚焦[24,42]。由于4H-SiC的双折射效应会导致x-和y-极化入射光之间出现轻微的相位差，因此每个元原子都经过优化，通过最小化以下效能因子来进行调整：
其中，括号表示平均值，ϕj为目标离散相位（j = 1, 2, …, 8），而ϕi,j为第i个元原子的相位调制。
图2：4H-SiC超表面单元的光学响应
a) 4H-SiC基板单体制造的超透镜示意图。D和H分别为纳米柱的直径和高度。P是两个相邻元件之间的中心间距。
b) 选定的元原子在1064 nm波长下的相位调制，分别针对x-极化（蓝色星号）和y-极化（红色星号）入射。带圆圈的线表示目标相位。选定的直径分别为200、255、285、310、340、370、410和465 nm。
c) 选定元原子在1064 nm波长下的透射率。
d) 选定元原子的归一化磁场。剖面图显示了八个选定单元的波导类比行为。
元原子在两个正交线性极化入射（i = x, y）下的相位调制。由此，选择了直径分别为200、255、285、310、340、370、410和465 nm的纳米柱来构建金属透镜。如图2b所示，每个选定的元原子在1.060 μm波长下提供接近目标的相位调制，且具有极化不敏感的高透射率（大于0.85，见图2c）。集中在纳米柱内的磁场验证了使用基于波导的传播相位（见图2d），并表明相邻元件之间的耦合较弱。
3. 结果与讨论
4H-SiC超透镜是在2 × 2 cm²的本征4H-SiC基板上制造的，通过一系列工艺，包括电子束光刻（EBL）、物理气相沉积（PVD）和感应耦合等离子体（ICP）刻蚀（详见实验部分中的“制造”）。由于布局尺寸庞大，可能超过计算机资源的限制，我们采用了一种解决方案，充分利用图纸的中心对称性（见实验部分中的“布局管理”）。
如图3a所示，基板中心1.15 × 1.15 cm²区域完全填充了高纵横比的纳米柱。这些纳米柱的高度通过原子力显微镜（AFM）测量为1.009 μm（图3b），与设计值一致。图3c–e中的扫描电子显微镜（SEM）结果显示，纳米柱的周期为600 nm，且有八种不同的结构填充因子，从0.3到0.78，证明了大面积、高精度、高纵横比的超表面，并且该制造方法可以应用于同类研究中的设备开发。
在刻蚀高纵横比结构过程中，由于侧向掩模收缩，导致了锥形纳米柱的形成，但对设备的光学性能影响最小（详细信息见支持信息，章节“多波长光学仿真”）
我们使用了一种定制的透射显微成像系统（图3f）来评估我们设计的4H-SiC金属透镜的光学性能。该系统将1030 nm平行激光束垂直照射到金属透镜上，随后由同轴显微镜系统收集焦场，并将图像传输到CCD相机（详细信息可在实验部分找到）。为了防止在高功率测试期间造成损害，我们使用了具有高损伤阈值的介质镜，并在CCD相机前添加了激光衰减滤光片。
尽管金属透镜最初设计用于1064 nm的特定波长，但其动态相位调制策略使其能够在广泛的波长范围内聚焦光线，超透镜的计算透射率和衍射效率已在补充信息中给出（详细内容见“多波长光学仿真”）。为了量化金属透镜的聚焦能力，我们进行了系统的实证研究，逐步拍摄了700张图像，覆盖了不同的波长范围。
图3：超透镜的形态与光学表征
a) 在单体4H-SiC基板上制造的1.15 × 1.15 cm²金属透镜的摄影图。
b) 制造的超透镜的原子力显微镜（AFM）图像。
c,d) 超透镜的顶视扫描电子显微镜（SEM）图像。
e) 超透镜的45°倾斜视角SEM图像。
f) 光学测量设置的示意图。
g) 使用1030 nm激光测量的设计焦点周围的焦点强度分布（1 cm ± 35 μm）。
h) 在焦平面上测量的强度分布。焦点直径为4 μm。
i,j) 在焦平面上沿Y = 0和X = 0线的归一化强度分布。蓝色点为测量数据，红色线为拟合结果。
±35 μm范围内的焦平面周围。对数据的综合分析揭示了一个平滑的高斯分布焦场，如图3g所示。焦场测试得到了1 cm的焦距。相应的焦平面测试显示了出色的聚焦效果，光强度分布与设计规格精确吻合，如图3h所示。沿X和Y轴的光强度测试（图3i,j）揭示了一个焦点，具有2.9 μm的半高宽（FWHM），大约是衍射极限的两倍（对于NA = 0.5，Mitutoyo 378-822-5 NA0.5 100X，衍射极限为1.03 μm）。使用光功率计测量了4H-SiC金属透镜的入射面和出射面，结果计算得出设备的透射率为0.71。
聚焦效率定义为通过4H-SiC超透镜传输的总功率中，在一个圆形孔径（半径为三倍FWHM）内的功率与总传输功率之比[43]。根据图3h，计算得出4H-SiC金属透镜的聚焦效率为96.31%。由于这些相似的光学性能，可以在激光加工系统中实现可比的加工能力。
在一项比较实验中，研究了高功率激光照射引起的温度变化，实验设置与光学性能测试相似。光源被替换为一台能够提供最大功率为15 W的1030 nm激光。4H-SiC超透镜和物镜分别在相同的光路中进行了测试，保持一致的设置和参数。在整个实验过程中，z轴阶段被调节以定位焦平面，并使用CCD相机记录图像。样品的温度通过红外热像仪（InfiRay T3S）进行测量，发射率设置为0.95（4H-SiC）和0.996（物镜）。4H-SiC材料和物镜的发射率测试和校准详细信息见补充信息（详见“热辐射测量的校准”）。
在测试之前，关闭激光器，让设备恢复到环境温度。实验持续了60分钟，每隔5分钟记录一次温度和焦平面测量结果。结果显示，在高功率激光照射60分钟后，4H-SiC超透镜的表面温度仅增加了3.2°C，温度变化为6%，而传统物镜的温度增加了54.0°C。如图4a和b所示，4H-SiC超透镜在约10分钟的操作后达到了稳态温度，表明其具有优异的热管理能力。与传统物镜相比，4H-SiC超透镜在高功率激光照射下显示出较低的设备操作温度，并显著减少了温度波动。
图4：4H-SiC超透镜的激光引发热漂移测试
a) 在15 W 1030 nm激光照射下，4H-SiC金属透镜和物镜在60分钟内的热成像。
b) 测量的温度变化比较。
c) 激光照射下焦平面的CCD图像。
d) 焦平面变化位移的比较。
e) 使用15 W 1030 nm激光进行60分钟激光切割4H-SiC基板的横截面图像。
f) 激光切割深度变化的比较。
即使在没有冷却组件的情况下，4H-SiC超透镜在激光照射下也能表现出优异的热性能。这一显著的热性能进一步强调了4H-SiC金属透镜在苛刻热环境中的有效性。
图4c显示了每10分钟CCD图像中的焦点位置偏移。数据表明，4H-SiC金属透镜的焦点位置没有显著偏移，始终保持在焦点上。相比之下，传统物镜的焦点在30分钟后出现了明显的偏移，且沿光轴的过度偏移导致CCD无法捕捉到图像。焦点偏移可能是由多种因素的组合引起的，包括透镜的热变形、激光非垂直入射和支架的热变形。CCD图像中的多个光斑是由于高功率介质镜涂层的界面厚度变化引起的。
如图4d所示，图像处理被用来获取焦点的FWHM（半高宽）和中心坐标，通过将焦点坐标与初始位置进行比较，得出了1小时内平面位移的数据。为了测试焦平面沿光轴的偏移，经过60分钟高功率激光照射后，z轴阶段被移动以重新定位焦点。记录的4H-SiC金属透镜的焦平面偏移为13 μm，而传统物镜的偏移为213 μm。与传统物镜相比，4H-SiC金属透镜的焦点偏移仅为6%的焦距，表明其在长期操作中的工艺稳定性和一致性优于传统物镜。
为了验证焦点偏移在激光加工中的影响，我们设计了一项激光切割实验，基于焦点偏移测量设置，使用难以切割的4H-SiC晶片作为实验材料。首先，我们使用2 W 1030 nm激光进行了焦平面测试。将4H-SiC晶片安装在电动3轴平台上，沿Z轴方向每2 μm进行一次切割。焦平面被确定为切割宽度最窄的点。在随后的切割过程中，这个焦平面位置保持固定。然后，使用15 W 1030 nm激光沿X方向（0.5 mm/s）每10分钟切割一次样品，持续1小时，每次切割后将样品移出光轴。通过光学显微镜（OLYMPUS DSX1000）在横截面上表征切割深度。槽口边缘的彩虹效应是激光切割过程中副产品积累的结果（详细内容见补充信息《彩虹光晕验证》）。
在2 W 1030 nm激光照射下，由于轻微的焦点偏移，物镜的焦距在实验开始时按室温标准化，导致切割深度较浅。然而，4H-SiC超透镜由于其稳定的聚焦性能，影响最小。激光切割测试结果如图4e所示。在60分钟的操作后，4H-SiC金属透镜的激光切割性能保持稳定，而传统物镜的焦点在30分钟后明显偏向基板。如图4f所示，4H-SiC超透镜在1小时操作后的切割深度变化仅为传统物镜的11.4%。同时，4H-SiC超透镜的元原子在切割过程中没有出现结构变形。切割测试（详见《元原子稳定性测试》）。这些结果与焦点偏移测量结果相符，表明在长时间高功率激光照射下，4H-SiC金属透镜能够保持更稳定的聚焦性能。
4. 结论
总之，我们的实验展示了4H-SiC超透镜显著的热稳定性，充分利用了其卓越的热导率。超透镜被特别设计为具有0.5的数值孔径（NA）和1 cm的焦距，作为与商用物镜的基准对比。为了实现极化不敏感和高效聚焦，金属透镜由类似波导的纳米柱组成，中心间距为600 nm，高度为1 μm，直径范围从200到465 nm。制造如此大面积（1.15 × 1.15 cm²）4H-SiC金属透镜并具备这些高纵横比（接近10）的单元所面临的挑战，通过特定的布局调整和后续电子束光刻（EBL）、物理气相沉积（PVD）以及感应耦合等离子体（ICP）工艺的关键准备技术成功解决。
因此，金属透镜在1 cm的距离上实现了衍射极限的聚焦（FWHM = 2.9 μm），与设计预期一致。在15 W 1030 nm脉冲激光照射下，4H-SiC金属透镜表现出卓越的稳定性，焦距的相对偏移仅为0.1%。这一偏移约为商用透镜在相同条件下观察到的6%。在4H-SiC晶片激光切割应用中，与传统物镜相比，4H-SiC超透镜的切割深度增加仅为11.4%。这些结果突显了4H-SiC超透镜在性能上的优势，相较于传统物镜，后者通常需要复杂的冷却系统才能达到类似的稳定性。
本研究中开发的方法为高性能设备的应用提供了前景，这些设备兼容半导体工艺，并采用具有高折射率和热导率的材料，如金刚石，前提是晶圆级基板制造工艺得到充分发展且成本可控。尽管我们设计中的每个元原子已经表现出超过85%的透射率，添加抗反射涂层可以进一步提高整体透射率。为了确保这些设备的可扩展性，解决大规模生产的挑战至关重要。步进重复纳米压印光刻技术可以提高生产效率，而压印-刻蚀工艺则可以扩展材料兼容性，从而实现大规模制造。
尽管4H-SiC具有优异的热导率和透射率，并且在通过金刚石车削加工时可以替代氟石物镜，但设备的尺寸和复杂性仍然是工业应用部署的障碍。将4H-SiC与超表面结合为性能提升提供了一个有前景的途径。结合这些潜在的优化策略，有望实现新一代具有卓越光学和热性能的超表面设备，这些设备具有紧凑的设计，可应用于增强现实、航天和激光加工等领域。这一进展将有效解决当前工业应用中的关键热管理问题。
