用于高功率激光器的金刚石反射镜

        简介：研究人员用地球上最坚固的材料之一——钻石制造了一面镜子。通过在一片薄薄的钻石表面蚀刻纳米结构，研究团队构建了一个高反射镜，能够承受10千瓦激光的实验，而不会造成损坏。在未来，研究人员设想这些镜子将用于国防应用、半导体制造、工业制造和深空通信。

        自1970年以来，几乎每一辆汽车、火车和飞机都是用发射连续光束的高功率激光器制造的。这些激光的强度足以切割钢材，精度足以进行手术，威力足以将信息传送到深空。事实上，由于它们的威力如此之大，以至于很难设计出具有弹性和持久性的组件来控制激光发出的强大光束。

        目前，在高功率连续波（CW）激光器中，大多数用于引导光束的反射镜都是由具有不同光学特性的材料的薄层涂层制成的。但是，如果任何一层都有一个微小的缺陷，强大的激光束就会穿透设备，导致整个设备失效。

        如果你能用一种材料制作一面镜子，它将大大减少产生缺陷的可能性，并延长激光器的寿命。但是什么材料足够坚固呢？

        现在，哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员用地球上最坚固的材料之一——钻石——制造了一面镜子。通过在一片薄薄的钻石表面蚀刻纳米结构，研究团队构建了一个高反射镜，能够承受10千瓦激光的实验，而不会造成损坏。

        “我们的单材料反射镜方法消除了传统反射镜在受到较大光功率照射时产生的热应力问题，而这种热应力问题对由多材料堆叠而成的反射镜是有害的，”该论文的作者Marko Loncar说。“这种方法有可能改进或创造出基于高功率激光器的新应用。”

        这项研究发表在《Nature Communication》上。

        Loncar的纳米光学实验室最初开发了将纳米结构蚀刻成钻石的技术，用于量子光学和通信。“我们想，为什么不把我们为量子应用开发的东西用于更经典的东西呢？” HaigAtikian说，他曾是SEAS的研究生和博士后研究员，也是这篇论文的第一作者。

        利用这项使用离子束蚀刻钻石的技术，研究人员在3毫米×3毫米的钻石片表面雕刻了一组高尔夫球座形柱。高尔夫球座的形状，顶部宽，底部薄，使钻石表面的反射率达到98.9%。海洋研究科学家NeilSinclair是这篇论文的合著者，他说：“你可以制作99.999%反射的反射器，但这些反射器有10-20层，这对于低功率激光来说很好，但肯定不能承受高功率。”。

图：金刚石表面加工和图像

        为了用高功率激光对镜子进行测试，在一个专门设计的房间里，研究人员将镜子放在一个10千瓦的激光器前面，该激光器的强度足以烧穿钢铁。该房间被锁定，以防止危险级别的激光渗出，并使相邻房间的人失明或烧焦。

        镜子安然无恙地出现了。

        Atikian说：“这项研究的卖点是，我们将一台10千瓦的激光聚焦到一颗3×3毫米的钻石上的一个750微米的光斑上，这是一个非常小的光斑上具有非常巨大能量，然而并没有燃烧它。”。“这一点很重要，因为随着激光系统越来越耗能，您需要想出创造性的方法，使光学元件更加坚固。”

        在未来，研究人员设想这些镜子将用于国防应用、半导体制造、工业制造和深空通信。该方法也可用于较便宜的材料，如熔融石英。

        哈佛OTD已保护与该项目相关的知识产权，并正在探索商业化机会。

[1] Haig A. Atikian, Neil Sinclair, Pawel Latawiec, Xiao Xiong, Srujan Meesala, Scarlett Gauthier, Daniel Wintz, Joseph Randi, David Bernot, Sage DeFrances, Jeffrey Thomas, Michael Roman, Sean Durrant, Federico Capasso, Marko Lon?ar. Diamond mirrors for high-power continuous-wave lasers. Nature Communications, 2022; 13 (1) DOI: 10.1038/s41467-022-30335-2