金剛石可以承受高功率連續激光束的熱量。
自1970年以來，幾乎每輛汽車、每列火車和每架飛機的制造過程都用到了發射連續光束的高功率激光器。這些激光器的能量強度足以切割鋼材，操作精度足以進行醫療手術，作用威力足以將信息傳送到深空。事實上，它們的能力如此之大，以至于很難設計出適應力強、耐久性的元器件來控制激光器發出的強大光束。
目前，在高功率連續波（CW）激光器中，大多數用于引導光束的反射鏡都是由具有不同光學特性材料的薄涂層組成的。但是，如果任何一層有一個微小的缺陷，強大的激光束就會燒穿整個激光器，導致其失效。
如果用單一材料制造反射鏡，這將會顯著降低出現缺陷的可能性并延長激光器的使用壽命。但是什么材料足夠堅固耐用呢？
據麥姆斯咨詢報道，哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院（Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences，SEAS）的研究人員利用地球上最堅固的材料之一——金剛石——制造了一種反射鏡。通過在金剛石薄片表面蝕刻納米結構，研究團隊構建了一種高反射鏡，能夠承受10千瓦海軍激光的測驗，而不會造成損壞。這項研究已發表在Nature Communications期刊上。
單晶金剛石反射鏡的設計與仿真
“我們的單一材料反射鏡方法消除了傳統反射鏡在受到較大光功率照射時產生的熱應力問題，而這種熱應力對由多種材料堆疊而成的傳統反射鏡是有害的。”SEAS電氣工程系Tiantsai Lin教授和論文的資深作者Marko Loncar說，“這種方法有可能改進或創造高功率激光器的新應用。”
Marko Loncar的納米光學實驗室最初開發了將納米結構蝕刻到金剛石上的技術，用于量子光學和通信。
“我們在思考，為什么不把我們為量子應用開發的技術用于更經典的研究呢？”SEAS的前研究生和博士后研究員、該論文的第一作者Haig Atikian說。
通過這種離子束蝕刻金剛石的技術，研究人員在3mm x 3mm的金剛石薄片表面上蝕刻了一系列高爾夫球座形狀的柱子。這些柱子上寬下窄，使金剛石表面的反射率達到98.9%。
金剛石表面的制造工藝及其納米結構圖像
“你可以制造具有99.999%反射率的反射鏡，但它們有10-20層，這對于低功率激光來說沒問題，但肯定無法承受高功率激光。”SEAS的研究科學家、該論文的合作作者Neil Sinclair說。
為了利用高功率激光對反射鏡進行測試，該研究團隊與美國賓夕法尼亞州立大學應用研究實驗室（Pennsylvania State University Applied Research Laboratory）研究人員展開合作，該實驗室是美國國防部指定的美國海軍大學附屬研究中心。
在應用研究實驗室的一個專門設計的房間里，研究人員將他們制造的反射鏡放在一個10千瓦的激光器前面，該激光器的強度足以燒穿鋼鐵。隨后該房間被鎖上，以防止危險級別的激光造成人的失明或灼傷。實驗結果表明該反射鏡毫發未傷！
金剛石反射鏡和介質鏡的激光誘導損傷試驗
“這項研究的特點是，我們將10千瓦的激光聚焦在3mm x 3mm金剛石上的750μm光斑上，雖然大量能量集中在一個非常小的光斑上，但并沒有使其燃燒。”Atikian說，“這一點很重要，因為隨著激光系統變得越來越強大，需要創造性的方法來使光學元器件更加堅固耐用。”
展望未來，研究人員設想這些反射鏡將用于軍事國防、半導體制造、工業制造和深空通信。這種制造方法也可用于較便宜的材料，例如熔融石英。
論文信息：
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
延伸閱讀：
《VCSEL期刊文獻檢索與分析-2022版》
《VCSEL專利態勢分析-2022版》
