【ZiDongHua 之“科技深度稿”标注关键词：PhotoniX；仇旻；碳化硅；超构光学；激光加工 】

　　

PhotoniX丨仇旻教授联合团队：面向高功率激光并行加工的碳化硅超构光学平台

 

　　撰稿人 | 陈博取

　　论文题目 | Wafer-scale silicon carbide meta-optic platform for robust multi-beam laser processing

　　作者 | 陈博取 / Boqu Chen、谢智强 / Zhiqiang Xie、孙潇雨 / Xiaoyu Sun、虞阳 / Yang Yu、吕未 / Wei Lyu、李晓萱 / Xiaoxuan Li、蔡璐 / Lu Cai、尹建军 / Jianjun Yin、赵鼎 / Ding Zhao、潘美妍 / Meiyan Pan、杜凯凯 / Kaikai Du、仇旻 / Min Qiu

　　完成单位：

　　1. 西湖大学工学院电子信息工程系，全省3D微纳加工和表征研究重点实验室

　　2. 浙江大学信息与电子工程学院

　　3. 慕德微纳（杭州）科技有限公司

　　4. 西湖大学光电研究院

　　5. 季华实验室

　　研究背景

　　高功率激光加工是先进制造中的重要技术，在精密焊接、材料切割和增材制造等领域发挥着关键作用。激光器输出功率的提升为多光束并行加工提供了能量基础。通过分束将激光能量分配至多个加工位置，可在满足单束加工能量需求的前提下实现多点同步加工，减少重复加工任务所需的时间，从而提高加工效率。

　　传统多头激光加工方案通常需要为各通道配置独立的光学组件。随着通道数量增加，系统体积及装配、对准的复杂度随之上升，限制了系统的紧凑集成。同时，高功率精密加工要求光学器件在承受较高激光负载的条件下，保持对各束激光波前相位与聚焦特性的精确控制，对器件的集成设计与稳定性提出了更高要求。

　　超透镜通过纳米尺度的结构调控光场，为聚焦器件的平面化与阵列集成提供了新途径，有助于减小多光束系统的体积、降低装调复杂度。然而，在高功率激光辐照下，材料吸收引起的局部温升与热积累会影响器件的光学性能，甚至造成结构损伤。因此，如何在实现紧凑集成与精确光场调控的同时，提高器件的热稳定性和激光承载能力，是超构光学走向高功率并行加工需要解决的关键问题。

　　导读

　　近日，西湖大学工学院仇旻教授课题组联合慕德微纳（杭州）科技有限公司杜凯凯博士团队，在《PhotoniX》发表题为“Wafer-scale silicon carbide meta-optic platform for robust multi-beam laser processing”的研究论文。针对高功率并行加工中光学器件功率承载、紧凑集成与逐束光场调控难以兼顾的问题，研究团队构建了晶圆级碳化硅超构光学平台。研究利用碳化硅的高热导率与高折射率特性，采用“前端分束、后端逐束聚焦”的架构，由衍射光学元件（DOE）分配光束，再由超透镜阵列实现各通道的聚焦调控。结合步进式拼版纳米压印与图形转移工艺，团队在4英寸碳化硅晶圆上制备了包含26枚厘米级超透镜的阵列，并在数百瓦DOE总入射功率下实现了不锈钢的四光束并行加工，为高功率激光并行加工系统的紧凑化与集成化提供了新路径。论文第一作者为西湖大学博士后陈博取，通讯作者为西湖大学仇旻教授与慕德微纳杜凯凯博士。

　　X特点

　　交叉特点：微纳光子学与先进激光制造的融合。

　　微纳光子学通过微纳尺度的结构设计调控光场，先进激光制造则利用光与物质的相互作用实现材料加工。本研究将微纳尺度的相位调控与加工尺度的能量分配相结合，通过同质碳化硅微纳结构实现分束与聚焦所需的相位分布。衍射光学元件将入射激光分配至多个空间通道，光束经中继透镜整形后，由超透镜阵列分别聚焦至材料表面，实现多点同步加工。

　　这一跨尺度融合需要材料性能与制造工艺的共同支撑。研究利用碳化硅材料的高热导率与高折射率，兼顾高功率激光承载与精细光场调控，并通过步进式拼版纳米压印，将单枚超透镜的纳米结构图形复制为晶圆级阵列，实现多个厘米级聚焦单元的一致性制备与集成。在数百瓦DOE总入射功率下开展的不锈钢四光束并行加工实验，验证了该平台在实际材料加工中的应用能力。这项研究将微纳光子学的光场设计方法引入高功率激光制造，为激光光束的并行分配与逐束聚焦提供了新的实现方式，推动高功率激光并行加工系统向紧凑化与集成化发展。

　　主要研究内容

　　高功率激光并行加工需要将激光能量分配至多个加工位置，并在较高功率负载下保持各通道的聚焦性能。随着并行通道数量增加，如何在有限空间内集成多个聚焦单元，并保证其性能一致，成为系统设计的重要要求。围绕这些需求，研究团队从材料选择、光学架构与阵列制造三个方面展开设计，构建了晶圆级碳化硅超构光学平台。

　　研究利用碳化硅的高热导率减轻局部热积累，并借助其高折射率，通过微纳结构实现分束与聚焦所需的相位调控。在光学架构上，前端衍射光学元件（DOE）将入射激光分配至多个空间通道，经中继透镜整形后，由对应的超透镜分别完成波前调控与聚焦。这一架构将光束分配与聚焦调控分开，使各通道的聚焦相位能够在设计阶段独立设定，同时通过超透镜阵列实现多个聚焦单元的平面化集成。针对阵列的一致性制备需求，团队采用步进式拼版纳米压印与图形转移工艺，在4英寸碳化硅晶圆上制备了26枚厘米级超透镜。通过关键尺寸扫描电子显微镜（CD-SEM）对各枚超透镜中的8种典型纳米柱直径进行测量，测得晶圆内最大结构尺寸偏差为24.18纳米。在1030纳米波长下，阵列焦距离散度（3σ）为10.73微米，仅为设计焦距的0.11%。结构表征与光学测试共同验证了阵列在结构尺寸与焦距上的一致性，为多通道并行聚焦提供了器件基础。

　　研究进一步面向实际加工需求，以732.5瓦和586.0瓦的DOE总入射功率，分别完成不锈钢的四光束并行打点与扫线加工。上述结果验证了该平台在数百瓦DOE总入射功率下实现多点同步加工的能力，为兼顾功率承载、逐束聚焦与紧凑集成的激光加工系统提供了实现路径。

　　技术突破与创新点

　　从单个器件走向晶圆级阵列

　　针对前端分束器件，团队在4英寸碳化硅晶圆上，通过三轮光刻套刻与刻蚀制备八阶DOE，并设计和表征了1×4、1×9和1×26等分束构型，如图1所示。通过调整相位分布，将入射光分配至相应数量的输出通道，满足不同通道配置下的分束需求。

　　图1：碳化硅DOE的制备与分束性能表征。（a）器件制备流程。（b）4英寸碳化硅晶圆上的DOE器件实物。（c）三种分束构型的相位分布与远场光强仿真结果。（d）器件表面的原子力显微与光学显微图像。（e）分束测试光路。（f）1×4、1×9和1×26分束构型的实测光斑。

　　针对后端聚焦器件，团队采用步进式拼版纳米压印与硬掩模图形转移相结合的工艺，制备碳化硅超透镜阵列，如图2所示。首先通过电子束光刻和刻蚀制作单枚超透镜的硅母版，再利用步进式拼版纳米压印，在玻璃基底的不同位置重复复制该图形，形成包含26个单元的晶圆级工作模具。随后，将阵列图形压印至4英寸碳化硅晶圆表面的压印胶中，经硬掩模和刻蚀工艺转移，形成碳化硅纳米柱阵列。

　　该工艺仅需在制作单枚超透镜母版时进行高精度电子束曝光，随后通过步进式拼版纳米压印制备阵列工作模具，再将阵列图形整体复制到碳化硅晶圆上，避免了逐片、逐枚进行电子束直写。母版与工作模具可重复使用，有利于降低图形加工成本、保持阵列图形的一致性，为厘米级超透镜阵列的批量制造提供工艺支撑。

　　制备的阵列包含26枚超透镜，单枚口径为1.15厘米，数值孔径为0.5。通过关键尺寸扫描电子显微镜（CD-SEM）对26枚超透镜中的8种典型纳米柱直径进行测量，测得最大结构尺寸偏差为24.18纳米。在1030纳米波长下，阵列的焦距离散度（3σ）为10.73微米，仅为设计焦距的0.11%。上述结果验证了厘米级超透镜阵列在结构尺寸与焦距上的一致性，为多通道并行聚焦提供了器件基础。

　　图2：碳化硅超透镜阵列的晶圆级制备与性能表征。（a）母版制作、步进式拼版纳米压印及图形转移流程。（b）单枚超透镜母版（上）与4英寸SiC超透镜阵列（下）。（c）纳米柱结构SEM图像。（d）26枚超透镜相同点位的CD-SEM图像。（e）26枚超透镜中典型纳米柱的直径测量结果。（f）光学测试装置。（g）阵列焦距分布。（h）焦斑半高全宽与图像归一化聚焦效率。

　　从光学表征走向高功率金属加工

　　团队采用1030纳米波长的高功率连续激光，对直接承受完整入射光束的碳化硅DOE开展辐照测试。在6.11千瓦/平方厘米的功率密度下连续辐照20秒后，器件未出现可见损伤，验证了其在该测试条件下的高功率激光承载能力。

　　在系统验证中，团队采用1070纳米连续激光开展四通道并行加工，分别在732.5瓦和586.0瓦的DOE入射功率下，实现了对1毫米厚304不锈钢的打点加工和对2毫米厚304不锈钢的扫线加工，结果如图3所示。重复扫描实验进一步验证了各通道加工结果的重复性。

　　图3：高功率四光束并行加工测试。（a）加工光路示意图。（b）实验装置实物。（c）不锈钢打点加工形成的四个凹坑的三维形貌。（d）四通道扫线加工的光学显微图像。（e）四次重复扫描中各通道的加工线宽。

　　结论与展望

　　本研究通过碳化硅分束器件与超透镜阵列的协同设计，构建了面向高功率激光并行加工的晶圆级超构光学平台，并完成了数百瓦DOE总入射功率下的四光束金属加工验证。研究将材料的功率承载能力、微纳结构的相位调控与晶圆级阵列制造相结合，为兼顾高功率工作、逐束聚焦和紧凑集成提供了新的实现方式，推动碳化硅微纳光子技术由单个器件向系统应用拓展。未来，可进一步围绕有效功率利用率、通道一致性与持续工作稳定性开展优化，通过提高DOE加工精度、降低界面反射以及完善光路匹配与热管理，提升系统的实际加工能力。在满足单束加工能量需求的基础上，进一步拓展并行通道、优化阵列布局，有望为高功率激光加工装备的紧凑化与多通道集成提供支撑。

　　主要作者介绍

　　仇旻，博士，教授，国家杰出青年基金获得者，享受国务院特殊津贴。现为西湖大学国强光学工程讲席教授、副校长、工学院院长，西湖大学光电研究院院长。已在SCI杂志上发表论文共计400余篇，连续十年入选爱思唯尔（Elsevier）中国高被引学者 (Highly Cited Chinese Researchers)榜单。曾获2021年度浙江省自然科学奖一等奖，2024年度浙江省自然科学奖二等奖。目前主要研究方向为微纳光电子学，包括微纳加工技术及仪器装备、微纳光子理论及光电器件、面向智能应用的关键理论与技术等。

　　杜凯凯，浙江大学光学工程博士，慕德微纳（杭州）科技有限公司创始人兼总经理。专注微纳光电器件设计与制造，在纳米压印模板、超构光学、DOE、AR 衍射光波导方向有丰硕成果，主导建成 8 英寸微纳光学量产线。已申请ZL 60 余项（发明 40 项、PCT 3 项），公司为国家高新技术企业、浙江省专精特新企业、“十四五”国家重点研发计划重点专项参与单位。

　　陈博取，博士，西湖大学工学院博士后。2026年获浙江大学电子科学与技术博士学位（浙江大学-西湖大学联合培养），师从仇旻教授。主要从事碳化硅微纳光子学研究，研究方向包括高功率激光光场调控、超构光学器件与系统、增强现实衍射光波导等。以第一作者在Advanced Materials、eLight、PhotoniX、Device等期刊发表论文。相关研究成果入选2024、2025年度中国十大光学产业技术及2025中国超材料十大进展，并获2025中国光学十大社会影响力事件提名奖。

　　本文出处

　　发表于：PhotoniX

　　论文链接：

　　https://link.springer.com/article/10.1186/s43074-026-00294-8

　　文献检索：

　　PhotoniX 7,72(2026).https://doi.org/10.1186/s43074-026-00294-8

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