Созданы алмазные зеркала для мощных лазеров
Исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) построили зеркало из одного из самых прочных материалов на планете: алмаза. Выгравировав наноструктуры на поверхности тонкого листа алмаза, исследовательская группа создала зеркало с высокой отражающей способностью, которое без повреждений выдержало эксперименты с 10-киловаттным лазером ВМФ.
Иллюстрация мощного лазера непрерывного действия, воздействующего на наноструктуры на алмазном зеркале. Предоставлено: Лаборатория Лонкара/Гарвардский университет SEAS.
Почти каждый автомобиль, поезд и самолет, построенные с 1970 года, производятся с использованием мощных лазеров, испускающих непрерывный луч света. Эти лазеры достаточно сильны, чтобы резать сталь, достаточно точны, чтобы проводить операции, и достаточно мощны, чтобы передавать сообщения в глубокий космос. На самом деле они настолько мощны, что трудно разработать устойчивые и долговечные компоненты, которые могут контролировать мощные лучи, излучаемые лазерами.
Сегодня большинство зеркал , используемых для направления луча в мощных лазерах непрерывного действия (CW), изготавливаются путем наслоения тонких покрытий из материалов с различными оптическими свойствами. Но если в любом из слоев есть хотя бы один, крошечный дефект, мощный лазерный луч прожжет его, и все устройство выйдет из строя.
Если бы можно было сделать зеркало из одного материала, это значительно снизило бы вероятность дефектов и увеличило срок службы лазера. Но какой материал будет достаточно прочным?
Теперь исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) построили зеркало из одного из самых прочных материалов на планете: алмаза. Выгравировав наноструктуры на поверхности тонкого листа алмаза, исследовательская группа создала зеркало с высокой отражающей способностью, которое без повреждений выдержало эксперименты с 10-киловаттным лазером ВМФ.
«Наш подход с зеркалом из одного материала устраняет проблемы теплового напряжения, которые вредны для обычных зеркал, образованных стопками из нескольких материалов, когда они облучаются с большой оптической силой», — сказал Марко Лончар, профессор электротехники Тяньцай Линь в SEAS и старший автор статьи. «У этого подхода есть потенциал для улучшения или создания новых применений мощных лазеров».
Исследование опубликовано в Nature Communications.
Лаборатория наноразмерной оптики Лонкара изначально разработала метод травления наноразмерных структур в алмазах для приложений в квантовой оптике и связи.
«Мы подумали, почему бы не использовать то, что мы разработали, для квантовых приложений и использовать это для чего-то более классического», — сказал Хейг Атикян, бывший аспирант и научный сотрудник SEAS и первый автор статьи.
Используя эту технику, которая использует ионный луч для травления алмаза, исследователи вылепили массив столбцов в форме тройника для гольфа на поверхности алмазного листа размером 3 на 3 миллиметра. Форма ти для гольфа, широкая сверху и узкая снизу, делает поверхность бриллианта отражающей на 98,9%.
Увеличенное СЭМ-изображение зеркала. Кредит: Лаборатория Лонкара/Гарвардский SEAS)
«Можно сделать отражатель с коэффициентом отражения 99,999%, но с 10-20 слоями, что хорошо для маломощного лазера, но, конечно, не сможет выдержать высокую мощность», — сказал Нил Синклер, научный сотрудник SEAS и соавтор.
Чтобы протестировать зеркало с помощью мощного лазера, команда обратилась к сотрудникам Лаборатории прикладных исследований Пенсильванского государственного университета, назначенной Министерством обороны США исследовательским центром Университета ВМС США.
Там, в специально спроектированной комнате, которая заперта, чтобы опасные уровни лазерного излучения не просачивались наружу и не ослепляли и не обжигали тех, кто находится в соседней комнате, исследователи поместили свое зеркало перед 10-киловаттным лазером, достаточно сильным, чтобы прожечь сталь.
Зеркало осталось невредимым.
«Преимущество этого исследования заключается в том, что у нас был 10-киловаттный лазер, сфокусированный в пятно размером 750 микрон на алмазе размером 3 на 3 миллиметра, что представляет собой большое количество энергии, сфокусированное в очень маленьком пятне, и мы его не сжигали», — сказал Атикян. «Это важно, потому что по мере того, как лазерные системы становятся все более и более энергоемкими, вам необходимо придумывать творческие способы сделать оптические компоненты более надежными».
В будущем исследователи предполагают, что эти зеркала будут использоваться для оборонных приложений, производства полупроводников, промышленного производства и связи в дальнем космосе. Этот подход можно также использовать в менее дорогих материалах, таких как плавленый кварц.
Harvard OTD защитил интеллектуальную собственность, связанную с этим проектом, и изучает возможности коммерциализации.
