同济大学团队在3D打印铜基水冷反射镜实现高效热管理方面取得进展
近日，同济大学物理科学与工程学院王占山教授、程鑫彬教授团队的焦宏飞教授基于3D打印技术构建了集成水冷结构的10.6 mm反射镜，实现了高反射率、高损伤阈值、低温升和低面形变化量，为EUV光刻驱动激光链路及其他高功率连续中红外激光装备提供了兼顾光学性能、热稳定性与工程制造的新方案。相关研究成果以“3D-Printed Copper Water Cooling System Assisted Fabrication of 10.6-mm High-Power CO2 Laser Resistance Reflectors”为题发表于Opto-Electronic Advances期刊。
作为极紫外（Extreme ultraviolet, EUV）光刻等高端光学制造装备的核心驱动光源，高功率CO2激光的性能直接影响半导体制造的产能与加工精度。在高功率CO2激光的多级放大、扩束、整形和聚焦过程中，10.6 mm反射镜是保障能量稳定传输的关键元件。随着功率密度持续提升，反射镜薄膜吸收产生的光热负荷不断加剧，易引发镜面热积累、面形畸变与薄膜损伤，劣化光束质量与聚焦稳定性，成为制约整套系统可靠运行的重要瓶颈之一。研发兼具高反射、强抗损伤能力的新一代反射镜，是极端光学制造领域亟待突破的关键课题。
行业传统解决方案多采用在反射镜背部加装水冷系统的方式强化散热，可在一定程度上抑制激光热效应。近年来，3D打印技术凭借超高设计自由度与复杂结构一体化成型能力，打破了传统加工的结构局限，推动铝基增材制造反射镜广泛应用于多波段空间光学成像领域。但铝材料导热系数偏低，难以承载超高功率激光的极端散热需求。与之对比，铜基材料导热性能优异，已是高端热控领域的核心基材。目前，3D打印铜基液冷板已成为下一代高端装备热管理的重要技术方向。但传统“光学基底+外置背冷”的分离式结构先天存在界面热阻大、散热效率有限、集成度低等短板，随着激光功率密度持续提升，已逐渐触及性能天花板。
针对行业痛点，同济大学团队突破传统分离式散热思路，提出“光学-热学-结构一体化”设计方案，融合3D打印、表面改性、超精密加工与光学镀膜四大技术。团队采用激光粉末床熔融（Laser powder bed fusion, LPBF）技术，直接在铜基镜体内部打印高精度复杂冷却流道，实现散热结构与光学基底无缝集成，从根源上消除界面热阻、压缩系统体积；通过电子束蒸发离子束辅助沉积制备高导热铜改性层，结合单点金刚石超精密车削保障镜面超光滑基底；最终沉积多层反射薄膜，构建“高反射薄膜-高导热铜改性层-3D打印铜基水冷通道”一体化高功率反射镜。
图1 高功率CO2激光系统在EUV光刻中的应用示意：CO2种子激光经多级放大和光学传输后聚焦至靶材，产生用于EUV光刻的极紫外辐射。
本研究核心创新在于提出并实现“高反射薄膜-高导热铜改性层-内置水冷通道”一体化光热协同管理方案，将水冷系统直接集成于3D打印铜基反射镜内部，打破传统外置背冷的分离式架构。团队采用LPBF工艺制备铜基反射镜基底，经多物理场模拟优化设计平行直通水冷流道，兼顾散热效率、流阻特性与制造可行性。针对3D打印铜件孔隙率高、表面粗糙的痛点，通过“超精密车削-铜改性-二次单点金刚石车削”工艺实现补孔与超光滑整平，结合多层复合高反膜沉积，在45°入射下实现10.6 μm波段99.50%以上的高反射率。实验验证表明，该一体化方案在5093 W/cm2激光功率密度下实现镜面最高温度降幅53%、热变形峰谷值降低约75%、激光诱导损伤阈值提升60%的显著性能跃升，并通过铜与镍改性层的对比验证，明确了近薄膜界面高导热材料对热量高效导出的关键作用。
同济大学焦宏飞教授为论文第一作者，钮信尚助理教授、汲小川博士后、程鑫彬教授为论文共同通讯作者。对论文具有突出贡献的合作者还包括同济大学王占山教授、姜斌斌博士、王一凡博士、李冬冬博士后、余俊助理教授、夏菁菁博士后、张锦龙教授等。
论文链接：https://www.oejournal.org/oea/article/doi/10.29026/oea.2026.250297
图2 10.6 μm反射镜的一体化制备流程：3D打印铜基水冷结构、铜改性层沉积与二次超精密车削，以及Cr/Au/ZnS/Ge/ZnS/Ge高反膜沉积。
图3 水冷前后反射镜的温升、热变形和激光损伤性能对比。开启水冷后，最高表面温度由84.20 °C降至45.00 °C，热变形PV由12292 nm降至3082 nm，激光诱导损伤阈值由8488±127 W/cm2提升至13581±203 W/cm2。
