哈佛大学开发出用于高功率激光器的金刚石反射镜
2022-05-21 16:45:40 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
哈佛大学的研究人员利用地球上最坚固的材料之一——金刚石——制造了一种反射镜。通过在金刚石薄片表面蚀刻纳米结构，研究团队构建了一种高反射镜，能够承受10千瓦海军激光的测验，而不会造成损坏。
金刚石可以承受高功率连续激光束的热量。
自1970年以来，几乎每辆汽车、每列火车和每架飞机的制造过程都用到了发射连续光束的高功率激光器。这些激光器的能量强度足以切割钢材，操作精度足以进行医疗手术，作用威力足以将信息传送到深空。事实上，它们的能力如此之大，以至于很难设计出适应力强、耐久性的元器件来控制激光器发出的强大光束。
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材料的薄涂层组成的。但是，如果任何一层有一个微小的缺陷，强大的激光束就会烧穿整个激光器，导致其失效。
如果用单一材料制造反射镜，这将会显著降低出现缺陷的可能性并延长激光器的使用寿命。但是什么材料足够坚固耐用呢？
据麦姆斯咨询报道，哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences，SEAS）的研究人员利用地球上最坚固的材料之一——金刚石——制造了一种反射镜。通过在金刚石薄片表面蚀刻纳米结构，研究团队构建了一种高反射镜，能够承受10千瓦海军激光的测验，而不会造成损坏。这项研究已发表在Nature Communications期刊上。
单晶金刚石反射镜的设计与仿真
“我们的单一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，而这种热应力对由多种材料堆叠而成的传统反射镜是有害的。”SEAS电气工程系Tiantsai Lin教授和论文的资深作者Marko Loncar说，“这种方法有可能改进或创造高功率激光器的新应用。”
Marko Loncar的纳米光学实验室最初开发了将纳米结构蚀刻到金刚石上的技术，用于量子光学和通信。
“我们在思考，为什么不把我们为量子应用开发的技术用于更经典的研究呢？”SEAS的前研究生和博士后研究员、该论文的第一作者Haig Atikian说。
通过这种离子束蚀刻金刚石的技术，研究人员在3mm x 3mm的金刚石薄片表面上蚀刻了一系列高尔夫球座形状的柱子。这些柱子上宽下窄，使金刚石表面的反射率达到98.9%。
金刚石表面的制造工艺及其纳米结构图像
“你可以制造具有99.999%反射率的反射镜，但它们有10-20层，这对于低功率激光来说没问题，但肯定无法承受高功率激光。”SEAS的研究科学家、该论文的合作作者Neil Sinclair说。
为了利用高功率激光对反射镜进行测试，该研究团队与美国宾夕法尼亚州立大学应用研究实验室（Pennsylvania State University Applied Research Laboratory）研究人员展开合作，该实验室是美国国防部指定的美国海军大学附属研究中心。
在应用研究实验室的一个专门设计的房间里，研究人员将他们制造的反射镜放在一个10千瓦的激光器前面，该激光器的强度足以烧穿钢铁。随后该房间被锁上，以防止危险级别的激光造成人的失明或灼伤。实验结果表明该反射镜毫发未伤！
金刚石反射镜和介质镜的激光诱导损伤试验
“这项研究的特点是，我们将10千瓦的激光聚焦在3mm x 3mm金刚石上的750μm光斑上，虽然大量能量集中在一个非常小的光斑上，但并没有使其燃烧。”Atikian说，“这一点很重要，因为随着激光系统变得越来越强大，需要创造性的方法来使光学元器件更加坚固耐用。”
展望未来，研究人员设想这些反射镜将用于军事国防、半导体制造、工业制造和深空通信。这种制造方法也可用于较便宜的材料，例如熔融石英。
论文信息：
Atikian, H.A., Sinclair, N., Latawiec, P. et al. Diamond mirrors for high-power continuous-wave lasers. Nat Commun 13, 2610 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41467-022-30335-2
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