《PhotoniX》：Wafer-scale silicon carbide meta-optic platform for robust multi-beam laser processing
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高功率激光加工是现代制造与前沿科学研究的重要基础，并行化对提升通量至关重要。然而，同时实现高功率承载、多光束并行化与紧凑光学集成长期存在矛盾。研究人员通过建立晶圆级碳化硅(SiC)超构光学平台解决该问题，该平台融合三项要素：SiC的热机械稳健性、孔径匹配(ap
高功率激光加工是现代制造与前沿科学研究的重要基础，并行化对提升通量至关重要。然而，同时实现高功率承载、多光束并行化与紧凑光学集成长期存在矛盾。研究人员通过建立晶圆级碳化硅(SiC)超构光学平台解决该问题，该平台融合三项要素：SiC的热机械稳健性、孔径匹配(aperture matched)架构以实现密集多光束集成，以及可扩展的半导体兼容制造工艺。平台将SiC衍射光学元件(DOE, diffractive optical element)与晶圆级26单元SiC超透镜阵列集成；超透镜直径1.15 cm、数值孔径(NA, numerical aperture)0.5，阵列均匀性高，焦长3σ偏差10.73 μm，占设计焦长0.11%，平均图像归一化聚焦效率93.90%。该架构把大孔径输入光束转为多聚焦通道，适配毫米至厘米级工业激光束，制备并表征4、9、26光束配置。作为分束前承受全入射光束的前端元件，SiC DOE功率承载条件最严苛，连续波激光诱导损伤阈值(LIDT, laser induced damage threshold)达6.11 kW/cm2，证明适用于高功率分束。上述结果确立了用于稳健高功率多光束光子系统的SiC超构光学平台，并为下一代并行激光加工提供可扩展路线。
研究背景方面，高功率激光加工支撑工业微加工、增材制造、惯性约束聚变与激光驱动粒子加速等方向，光源峰值与平均功率提升带来新光—物质相互作用 regime，但也对光束控制与传输元件提出更高要求。现有方案存在明显权衡：液晶空间光调制器(LC-SLM, liquid crystal spatial light modulator)可动态生成多光束阵列，但吸收发热与损伤阈值限制平均功率；振镜扫描与分立折射/衍射组件可承更高功率，但多依赖串行扫描、多组件中继，光程、对准复杂度和系统体积增大；介电能带超表面从早期等离激元高损耗走向全介质高效率，但高功率部署受LIDT与热机械稳定性制约。单晶金刚石、SiC等高热导高鲁棒材料被探索后，SiC因高折射率、高热导、宽透明窗口、宽禁带与机械鲁棒性成为互补平台，已有单片SiC超透镜抑制热致焦漂、SiC大面衍射光学用于增强现实波导等基础，但把分束、孔径匹配聚焦与可扩展复制整合到晶圆级多光束平台仍属空白。研究人员据此开展晶圆级SiC超构光学平台研究，结论是该平台在高功率承载、多光束传输、紧凑集成与晶圆制造间取得突破，对下一代并行激光加工具推进意义，论文发表于《PhotoniX》。
主要关键技术方法方面，研究人员采用Gerchberg–Saxton(G-S)算法优化DOE相位并用Ansys Zemax验证DOE到超透镜传播几何；DOE经接触式光刻与电感耦合等离子体(ICP, inductively coupled plasma)刻蚀在4英寸0.5 mm半绝缘4H-SiC晶圆制成；超透镜阵列以电子束光刻(EBL, electron beam lithography)制单芯片母版，经步进重复纳米压印(S&R-NIL, step and repeat nanoimprint lithography)复形为26芯片工作印章，再经ICP与反应离子束刻蚀(RIBE, reactive ion beam etching)将纳米柱转入SiC；光学表征用原子力显微镜(AFM)、扫描电镜(SEM)、临界尺寸SEM(CD-SEM)与自建显微焦斑测量系统完成。
研究结果部分，SiC DOE光束分束器中，研究人员在4英寸SiC晶圆排布14个1×1 cm DOE，覆盖1×4、1×9、1×26，最小特征3、5、10 μm；连续波1030 nm、10 mm光束下4.8 kW照射20 s无损伤，对应6.11 kW/cm2，5 kW出现断裂，脉冲90 ns、100 kHz下300 W无损伤、500 W烧蚀；Zemax模拟验证衍射光指向下游超透镜，实验远场图与1×4、1×9设计一致，1×26出现零级斑且位移误差使目标级效率由82.15%降至50.58%，反映接触光刻分辨率边界；四通道系统总功率利用率16.2%，含菲涅尔反射、散射与非目标级损失。
SiC超透镜阵列中，4英寸阵列含26个直径1.15 cm、NA 0.5超透镜；CD-SEM显示八类纳米柱跨26芯片3σ误差7.72至16.85 nm，最大结构偏差24.18 nm；6 mm高斯光束1030 nm正入射下平均焦长9401.99 μm，3σ偏差10.73 μm即0.11%，平均焦斑FWHM 2.93 μm，平均图像归一化聚焦效率93.90%，证明晶圆级大孔径超透镜阵列焦长与能量集中度高度一致。
SiC多光束激光加工平台中，15 W 1030 nm加1×4 DOE演示四通道并行：Cr镀玻璃上焦面线宽25.63、31.26、24.77、33.65 μm；恒功4.6 W时焦面最窄17.94 μm，离焦300 μm展宽至51.24 μm；焦面4.6 W得10.8 μm、13.8 W达44.41 μm，说明离焦与功率可调控特征尺寸。高功率连续波1070 nm、1 cm光束加水冷DOE做304不锈钢加工：732.5 W驻照60 s四坑等效半深宽233.5、364.0、374.3、178.4 μm；586.0 W四遍扫描线宽102.3±2.6、207.2±7.1、143.8±5.8、172.1±12.2 μm，最大标准差12.2 μm，证明数百瓦连续波下多站点并行驻照与可重复线扫。
讨论部分总结，研究人员指出该平台打破高功率、多光束、紧凑集成与晶圆制造间的长期权衡：相较LC-SLM牺牲可编程换更高功率容限，相较振镜由串行转向同时多通道聚焦，相较传统DOE加物镜/微透镜阵列以平面超透镜减厚并支持大孔径复制；SiC高导热约410.7 W/(m·K)使前端DOE承全功率仍达6.11 kW/cm2，后端超透镜仅承分束后功率；S&R-NIL把高精度母版与大面积复制分离，适配SiC高硬高稳的难加工特性；当前瓶颈为DOE效率、零级抑制、通道均匀性与未镀膜菲涅尔反射，1064 nm双面增透使平面SiC透射由67.823%升至98.956%，两片串联材料透射因子由46.00%升至97.92%；1×26零级是接触光刻边界而非原理缺陷，更高分辨制版可缓解。
结论部分翻译，研究人员总结：本工作通过晶圆级SiC超构光学平台解决了高功率承载、多光束并行化、紧凑集成与可扩展制造间的权衡；平台集成定制SiC DOE与SiC超透镜阵列，把大孔径输入转为适配工业激光尺度的多聚焦通道，26单元超透镜阵列以厘米级、NA 0.5实现跨片一致，焦长3σ偏差10.73 μm、平均图像归一化聚焦效率93.90%，前端DOE连续波LIDT 6.11 kW/cm2证适用于分束前高功率场景，四光束Cr模型基板图案化验证并行加工能力。未来可推向千瓦级工业激光，需提升DOE效率、零级抑制、通道均匀性与杂散光管理，并借助SiC宽透明窗口拓展其他波段，但需波长专属设计与验证；该平台有望推进稳健多光束激光加工与高功率光束传输。
