El equipo de la Universidad de Westlake desarrolla una novedosa metalente de SiC con prometedoras capacidades de gestión térmica para sistemas láser de alta potencia

El grupo de investigación liderado por el Prof. Min Qiu en la Universidad de Westlake ha desarrollado con éxito una novedosa metalente homogénea de 4H-SiC (carburo de silicio), que ofrece una solución única para abordar la deriva térmica en el procesamiento láser de alta potencia.

Al aprovechar la alta conductividad térmica y las bajas pérdidas del 4H-SiC, la nueva metalente suprime eficazmente la deriva térmica sin necesidad de complejos sistemas de refrigeración externos.

Este avance no solo proporciona un apoyo crucial para los sistemas láser de alta potencia, sino que también abre nuevas posibilidades en instrumentación de precisión, exploración polar, aeroespacial y otros campos. En aplicaciones que exigen una precisión de mecanizado y una calidad de superficie extremadamente altas, la metalente de 4H-SiC puede desempeñar un papel vital al proporcionar una solución más eficiente y compacta para los sistemas láser de alta potencia.

El artículo relacionado, titulado “Metalente 4H-SiC: Mitigando el efecto de deriva térmica en la irradiación láser de alta potencia,” se publicó recientemente en [1].

Una nueva estrategia para abordar la deriva térmica en el procesamiento láser de alta potencia

Los investigadores observaron un problema recurrente en el corte de precisión con láser de alta potencia: el funcionamiento a largo plazo provocaba la acumulación de calor en las lentes, deformando los elementos ópticos internos y degradando la consistencia y la morfología del mecanizado.

Esto se debe a la absorción parcial de la energía del láser por parte de los componentes ópticos, que se convierte en calor. En materiales como el cuarzo y el CaF₂ con mala conductividad térmica, se produce un sobrecalentamiento local debido a una disipación de calor ineficaz.

Para resolver esto, el equipo fabricó una metalente transparente de 4H-SiC con miles de millones de nanopilares (200–400 nm de diámetro y ~1 µm de profundidad) diseñados en su superficie.

“Gracias al alto índice de refracción del SiC, al ajustar las dimensiones de los nanopilares podemos manipular la fase óptica y lograr un rendimiento de enfoque comparable al de las lentes comerciales. Combinado con su alta conductividad térmica, se logra una disipación de calor eficiente en un dispositivo mucho más delgado,” dijo Boqu Chen.

Demostración experimental de una estabilidad térmica excepcional

En condiciones industriales simuladas, el equipo comparó su metalente de 4H-SiC con un objetivo comercial líder de Mitutoyo Japón. Tras la irradiación continua con láser pulsado de 15 W y 1030 nm durante 1 hora, la metalente de 4H-SiC exhibió solo un aumento de temperatura de 3,2 °C, con un desplazamiento focal de solo una décima parte del observado en los objetivos tradicionales.

La refrigeración convencional generalmente se basa en anillos de refrigeración por agua externos para eliminar el calor, lo que aumenta la complejidad del sistema, el costo, el consumo de energía y las emisiones de carbono.

Por el contrario, la solución basada en metalentes no requiere componentes de refrigeración adicionales: simplemente montar la lente permite una extracción de calor en estado sólido rápida, lo que permite un funcionamiento estable y a largo plazo, al tiempo que simplifica el uso y el mantenimiento.

Avanzando hacia la producción en masa

Actualmente se han fabricado múltiples tipos de metalentes de SiC para diferentes aplicaciones, y se están realizando esfuerzos para reducir los costos y aumentar el rendimiento. La técnica ya se ha aplicado en colaboración con varias empresas e instituciones. 

Se espera que las metalentes de 4H-SiC aceleren la aplicación de sistemas láser de alta potencia en entornos cada vez más exigentes.

Aprovechando nuestra experiencia en materiales de SiC, podemos suministrar una gama completa de productos basados en SiC, incluyendo:

Sustratos de 4H-SiC y 6H-SiC (grado de investigación y dispositivo, 2–6 pulgadas)Obleas epitaxiales de SiC

(tipo n / tipo p, HPSI, espesores y dopaje personalizados)Ventanas y lentes de SiC de grado óptico

Sustratos de SiC estampados para dispositivos optoelectrónicos y MEMS

Componentes de SiC mecanizados a medida (difusores de calor, espejos láser, piezas de precisión)

​Háganos saber si desea hojas de datos, cotizaciones o soluciones personalizadas para su aplicación.Referencia

Chen, B., et al.

Metalente 4H-SiC: Mitigando el efecto de deriva térmica en la irradiación láser de alta potencia

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1. Advanced Materials, 2024, 2412414. https://doi.org/10.1002/adma.202412414