Illustration av en kraftfull kontinuerlig laser som träffar nanostrukturer på en diamantspegel. Kredit:Loncar Lab/Harvard SEAS
Nästan alla bilar, tåg och flygplan som har byggts sedan 1970 har tillverkats med högeffektslasrar som skjuter en kontinuerlig ljusstråle. Dessa lasrar är tillräckligt starka för att skära stål, tillräckligt exakta för att utföra operationer och tillräckligt kraftfulla för att föra meddelanden ut i rymden. De är faktiskt så kraftfulla att det är svårt att konstruera motståndskraftiga och långvariga komponenter som kan kontrollera de kraftfulla strålarna som lasrarna sänder ut.
Idag tillverkas de flesta speglar som används för att rikta strålen i högeffekts kontinuerliga våglasrar (CW) genom att skikta tunna beläggningar av material med olika optiska egenskaper. Men om det ens finns en, liten defekt i något av lagren, kommer den kraftfulla laserstrålen att brinna igenom, vilket gör att hela enheten misslyckas.
Om du kunde göra en spegel av ett enda material skulle det avsevärt minska sannolikheten för defekter och öka laserns livslängd. Men vilket material skulle vara tillräckligt starkt?
Nu har forskare vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) byggt en spegel av ett av de starkaste materialen på planeten:diamant. Genom att etsa nanostrukturer på ytan av ett tunt diamantark byggde forskargruppen en mycket reflekterande spegel som klarade, utan skador, experiment med en 10-kilowatt Navy-laser.
"Vår spegelmetod i ett material eliminerar de termiska spänningsproblem som är skadliga för konventionella speglar, bildade av flermaterialstaplar, när de bestrålas med stora optiska krafter", säger Marko Loncar, professor i elektroteknik vid Tiantsai Lin vid SEAS och senior författare av tidningen. "Det här tillvägagångssättet har potential att förbättra eller skapa nya tillämpningar av högeffektlasrar."
Forskningen publiceras i Nature Communications .
Loncars Laboratory for Nanoscale Optics utvecklade ursprungligen tekniken för att etsa strukturer i nanoskala till diamanter för tillämpningar inom kvantoptik och kommunikation.
"Vi tänkte, varför inte använda det vi utvecklat för kvantapplikationer och använda det för något mer klassiskt", säger Haig Atikian, en före detta doktorand och postdoktor vid SEAS och första författare till tidningen.
Med hjälp av denna teknik, som använder en jonstråle för att etsa diamanten, skulpterade forskarna en rad golf-tee-formade kolumner på ytan på en 3-milimeter gånger 3-milimeter diamantskiva. Formen på golf-tees, bred på toppen och smal på botten, gör att ytan på diamanten reflekteras till 98,9 %.
Zoomad SEM-bild av spegeln. Kredit:Loncar Lab/Harvard SEAS)
"Du kan göra reflektorer som är 99,999 % reflekterande men de har 10-20 lager, vilket är bra för lågeffektslaser, men som absolut inte skulle kunna motstå höga effekter", säger Neil Sinclair, forskare vid SEAS och co- författare till tidningen.
För att testa spegeln med en högeffektlaser vände sig teamet till medarbetare vid Pennsylvania State University Applied Research Laboratory, ett av försvarsdepartementet utsett U.S. Navy University Affiliated Research Center.
Där, i ett specialdesignat rum som är låst för att förhindra farliga nivåer av laserljus från att sippra ut och blända eller bränna dem i det intilliggande rummet, ställde forskarna sin spegel framför en 10 kilowatts laser, stark nog att bränna genom stål .
Spegeln kom fram oskadd.
"Säljningsargumentet med den här forskningen är att vi hade en 10 kilowatts laser fokuserad ner i en 750 mikron fläck på en 3 x 3 millimeter diamant, som är mycket energi fokuserad på en mycket liten plats, och vi brände det inte", sa Atikian. "Detta är viktigt eftersom lasersystem blir mer och mer energikrävande, måste du komma på kreativa sätt att göra de optiska komponenterna mer robusta."
I framtiden föreställer sig forskarna att dessa speglar används för försvarstillämpningar, halvledartillverkning, industriell tillverkning och rymdkommunikation. Tillvägagångssättet kan också användas i billigare material, såsom smält kiseldioxid.
Harvard OTD har skyddat den immateriella egendomen i samband med detta projekt och undersöker kommersialiseringsmöjligheterna. + Utforska vidare
