Diamantspejle til højtydende lasere

Næsten alle biler, tog og fly, der er blevet bygget siden 1970, er blevet fremstillet ved hjælp af højeffektlasere, der skyder en kontinuerlig lysstråle. Disse lasere er stærke nok til at skære stål, præcise nok til at udføre operationer og kraftige nok til at transportere beskeder ud i det dybe rum. De er faktisk så kraftige, at det er svært at konstruere modstandsdygtige og langtidsholdbare komponenter, der kan kontrollere de kraftige stråler, som laserne udsender.

I dag er de fleste spejle, der bruges til at dirigere strålen i højeffekts kontinuerlige bølgelasere (CW) fremstillet ved at pålægge tynde belægninger af materialer med forskellige optiske egenskaber. Men hvis der overhovedet er en lille defekt i et af lagene, vil den kraftige laserstråle brænde igennem, hvilket får hele enheden til at svigte.

Hvis du kunne lave et spejl af et enkelt materiale, ville det reducere sandsynligheden for defekter betydeligt og forlænge laserens levetid. Men hvilket materiale ville være stærkt nok?

Nu har forskere ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) bygget et spejl af et af de stærkeste materialer på planeten:diamant. Ved at ætse nanostrukturer på overfladen af ​​et tyndt ark diamant byggede forskerholdet et stærkt reflekterende spejl, der uden skader modstod eksperimenter med en 10-kilowatt Navy-laser.

"Vores et-materiale spejl tilgang eliminerer de termiske spændingsproblemer, der er skadelige for konventionelle spejle, dannet af multi-materiale stakke, når de bestråles med store optiske kræfter," sagde Marko Loncar, Tiantsai Lin professor i elektroteknik ved SEAS og seniorforfatter af avisen. "Denne tilgang har potentiale til at forbedre eller skabe nye applikationer af højeffektlasere."

Forskningen er offentliggjort i Nature Communications .

Loncar's Laboratory for Nanoscale Optics udviklede oprindeligt teknikken til at ætse nanoskalastrukturer til diamanter til applikationer inden for kvanteoptik og kommunikation.

"Vi tænkte, hvorfor ikke bruge det, vi udviklede til kvanteapplikationer og bruge det til noget mere klassisk," sagde Haig Atikian, en tidligere kandidatstuderende og postdoc-stipendiat ved SEAS og førsteforfatter af papiret.

Ved hjælp af denne teknik, som bruger en ionstråle til at ætse diamanten, skulpturerede forskerne en række golf-tee-formede søjler på overfladen på et 3-millimeter gange 3-millimeter diamantark. Formen på golf-tees, bred på toppen og tynd forneden, gør overfladen af ​​diamanten 98,9% reflekterende.

"Du kan lave reflektorer, der er 99,999 % reflekterende, men de har 10-20 lag, hvilket er fint til laveffektlaser, men som bestemt ikke ville være i stand til at modstå høje kræfter," sagde Neil Sinclair, en forsker ved SEAS og co- avisens forfatter.

For at teste spejlet med en højeffektlaser henvendte holdet sig til samarbejdspartnere ved Pennsylvania State University Applied Research Laboratory, et forsvarsministerium udpeget til US Navy University Affiliated Research Center.

Der, i et specielt designet rum, der er låst for at forhindre farlige niveauer af laserlys i at sive ud og blænde eller brænde dem i det tilstødende rum, satte forskerne deres spejl foran en 10 kilowatt laser, stærk nok til at brænde gennem stål .

Spejlet kom uskadt frem.

"Salgsargumentet med denne forskning er, at vi havde en 10 kilowatt laser fokuseret ned i en 750 mikron plet på en 3 x 3 millimeter diamant, som er en masse energi fokuseret ned på et meget lille sted, og vi brændte det ikke," sagde Atikian. "Dette er vigtigt, fordi efterhånden som lasersystemer bliver mere og mere strømkrævende, er du nødt til at finde på kreative måder at gøre de optiske komponenter mere robuste på."

I fremtiden forestiller forskerne sig, at disse spejle bliver brugt til forsvarsapplikationer, halvlederfremstilling, industriel fremstilling og dyb rumkommunikation. Fremgangsmåden kunne også bruges i billigere materialer, såsom smeltet silica.

Harvard OTD har beskyttet den intellektuelle ejendom, der er forbundet med dette projekt og undersøger kommercialiseringsmulighederne. + Udforsk yderligere

Første integrerede laser på lithium niobate chip