激光加工技术的效能提升高度依赖光学系统的精准聚焦能力，但传统透镜在强激光辐照下因热积累导致的性能退化问题长期制约其应用。针对这一挑战，西湖大学仇旻团队开发的​​4H-SiC超透镜​​通过材料与结构协同创新，实现了热稳定性与光学性能的突破性平衡，为高功率激光系统提供了革新性解决方案。

 

​​热失控：传统透镜的致命缺陷​
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在精密激光加工场景中，物镜需长期承受数千瓦级激光能量输入。传统萤石或合成石英透镜因热导率不足（<10 W/m·K），导致局部温升引发材料形变，进而造成焦点漂移（典型值>200 μm）和光学像差恶化。以商用Mitutoyo物镜为例，在15 W、1030 nm激光连续辐照1小时后，其温度骤升54℃，焦平面偏移达213 μm，最终因热应力熔融而失效。尽管水冷系统可部分缓解问题，但其体积庞大（>500 cm³）、能耗高（冷却功耗占比超30%），且引入振动干扰，严重限制了设备集成度与可靠性。

 

超表面技术：热管理新范式​
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超表面通过亚波长尺度人工结构调控光场相位与振幅，为热管理提供了新思路。现有方案分为两类：
 

4H-SiC超透镜：热-光协同优化
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本研究提出的4H-SiC超透镜通过三大创新突破热管理瓶颈：
 

性能验证：热稳定性量化对比​
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在极端工况测试中（15 W、1030 nm激光连续辐照1小时）：

图1| 4H-SiC 金属膜（左）和传统物镜（右）的热漂移效应示意图。使用 15 W 1030 nm 激光切割 4H-SiC 基底的截面图，比较 60 分钟操作前后的切割性能。 

图2| 4H-SiC 超表面单元的光学响应。 a) 以 4H-SiC 为基底单片制作的超透镜示意图。D 和 H 分别为纳米柱的直径和高度。b) 所选超构单元在 x 偏振（蓝色星号）和 y 偏振（红色星号）情况下对 1064 纳米波长的相位调制。带圆圈的直线代表目标相位。所选直径分别为 200、255、285、310、340、370、410 和 465 nm。 c) 所选超构单元在 1064 nm 波长下的透射率。剖面图显示了所选八个单元的波导-类比行为。

图3| 超透镜的形态和光学特征。a) 在单片 4H-SiC 衬底上制作的 1.15 × 1.15 平方厘米超透镜的照片。 b) 制作的超透镜的原子力显微镜图像。 c,d) 超透镜的俯视扫描电子显微镜（SEM）图像。e) 超透镜的 45° 斜视SEM图像。 f) 光学测量装置示意图。 g) 使用 1030 纳米激光测量 1 厘米（±35 微米）处设计焦斑周围的焦斑强度分布。焦斑直径为 4 微米。 i,j) 分别沿 Y = 0 和 X = 0 线的焦平面归一化强度剖面图。蓝点为测量数据，红线为拟合结果。

图4| 4H-SiC 超透镜的激光诱导热漂移测试。a) 15 W 1030 nm 激光照射 4H-SiC 金属片和物镜 60 分钟后的热图像。b) 测得的温度变化对比。 c) 沿激光照射焦平面的 CCD 图像。 d) 焦平面的位移变化对比。 e) 使用 15 W 1030 nm 激光 60 分钟对 4H-SiC 基材进行激光切割的横截面图像。f) 激光切割深度变化比较。

产业化路径与前景​
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当前技术瓶颈在于：

团队已成功将工艺迁移至6英寸晶圆产线，良率提升至75%，并联合企业开发出适配光纤激光器的模块化超透镜组件（尺寸<3×3 cm³）。未来可拓展至紫外波段（200-400 nm）超透镜，应用于半导体光刻与量子点制造。

结语​
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4H-SiC超透镜通过材料本征优势与超表面设计的协同创新，首次在单器件层面同时实现高聚焦效率（>96%）与抗热失配能力（ΔT<5℃），为高功率激光精密加工、空间遥感、深紫外光刻等场景提供了颠覆性解决方案。这一突破标志着光子器件从“功能主导”向“热-光-机协同优化”的范式转变，有望重塑激光技术领域的技术路线图。

4H-SiC超透镜凭借其​​无与伦比的热稳定性​​与​​衍射极限聚焦能力​​，为高功率激光加工、精密制造等领域提供了革新性解决方案。上海知明鑫不仅提供从设计优化到晶圆级量产的全流程技术支持，更针对客户场景定制抗热漂移方案，配套高可靠性封装服务（如真空隔振、智能温控），确保器件在极端工况下的长效稳定运行。未来，我们将持续拓展其在AR光波导、量子通信等新兴领域的应用，以“材料+工艺+服务”三位一体的创新模式，助力客户突破技术瓶颈，定义行业新标准。


以下产品为知明SiC衬底 4H类型：
 

以下产品为知明SiC 透镜：

 

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