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皓天鑫
在高功率連續(xù)波激光器中，大多數(shù)用于引導(dǎo)光束的反射鏡都是由具有不同光學(xué)特性的材料薄層制成的。但只要每一層有一個微小的缺陷，強大的激光束就會穿透反射鏡，導(dǎo)致整個裝置失靈。
哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)的研究人員認為，由單一材料制成的鏡子將能夠大大減少缺陷的可能性，并增加激光的壽命。于是他們用金剛石這種地球上幾乎最堅固的材料，建造了一面強大得足以承受高功率連續(xù)波激光的鏡子。
通過在金剛石薄片表面蝕刻出納米結(jié)構(gòu)，研究小組成功打造出這種特殊的高反射鏡，它是由具有不同光學(xué)特性的薄層材料形成的。之后，美國海軍用10千瓦的激光對其進行實驗，并發(fā)現(xiàn)這種反射鏡可以承受來自高功率、連續(xù)激光的熱量，而不會被破壞。
SEAS電氣工程教授、該論文的資深作者Marko Loncar指出：“我們的單材料反射鏡方法，消除了傳統(tǒng)反射鏡在大光功率照射下由多材料疊加形成的熱應(yīng)力問題。這種方法將有望改善或創(chuàng)造高功率激光的新應(yīng)用。”
Marko Loncar的納米光學(xué)實驗室最初開發(fā)了在金剛石中雕刻納米級結(jié)構(gòu)的技術(shù)，不過當(dāng)時這種尖端蝕刻技術(shù)是應(yīng)用于量子光學(xué)和通信方面。后來他們轉(zhuǎn)念一想，覺得把這用在其他更經(jīng)典的場景(像反射鏡)當(dāng)中不是也很好嗎？
說干就干，研究人員開始了用激光離子束蝕刻鉆石的探索與操作。他們在3毫米×3毫米的金剛石薄片表面雕刻了一系列高爾夫球座形狀的柱。高爾夫球座的形狀上寬下窄，使鉆石表面能夠達到98.9%的反光率。
“你可以制造出99.999%反光的反射器，但它們有10-20層，這對于低功率激光來說沒問題，但卻肯定無法承受高功率。”SEAS的研究科學(xué)家、該論文的合著者尼爾·辛克萊(Neil Sinclair)稱。
為了用高功率激光測試這種鏡子，研究小組從賓夕法尼亞州立大學(xué)應(yīng)用研究實驗室(美國國防部指定的美國海軍大學(xué)附屬研究中心)的合作者那里獲得了幫助。
實驗在一個專門設(shè)計的房間里進行。為了防止危險水平的激光滲漏、致盲或灼傷鄰近房間的人，研究人員把鏡子放在一個10千瓦的激光器前，而激光的強度足以穿透鋼鐵。
他們將10千瓦的激光束聚焦到一個750微米的非常小的點上，從而產(chǎn)生了巨大的能量。然而，在這股巨大能量聚焦的點上，反射鏡卻沒有被燒毀。對于不少應(yīng)用場景而言，能夠做到這一點其實非常重要，因為隨著激光系統(tǒng)變得越來越耗電，不少采用者都希望能夠用一些創(chuàng)造性的方法使光學(xué)元件更耐用。
這種方法有望改善或創(chuàng)造高功率激光器的新應(yīng)用。哈佛大學(xué)技術(shù)開發(fā)局(OTD)已經(jīng)對與該項目相關(guān)的知識產(chǎn)權(quán)進行了保護，并努力探索該技術(shù)的商業(yè)化機會。在未來，研究人員預(yù)計這些鏡子將用于國防應(yīng)用、半導(dǎo)體制造、工業(yè)制造和深空通信。
這項研究是在哈佛大學(xué)納米系統(tǒng)中心(CNS)進行的，該中心是國家納米技術(shù)協(xié)調(diào)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)(NNCI)的成員，由國家科學(xué)基金會提供支持。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然·通訊》(Nature Communications)雜志上。
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