超硬材料网

       美国哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员成功研制出一种用于新型高功率连续波（CW）激光器的金刚石反射镜。该研究成果发表在《NatureCommunications》上。

       自1970年以来，几乎每一辆汽车、火车和飞机的制造都离不开能发射连续波的高功率激光器。这些激光的强度足以切割钢材，精度足以进行外科手术，威力足以将信息传送到外太空。事实上，它们的威力如此之大，以至于很难设计出能够控制激光器发出的强大光束的有弹性和持久性的部件。 

       传统高功率连续波（CW）激光器中使用的反射镜通常使用多层涂层或纳米结构薄膜来设计反射光谱。前者利用不同折射率和厚度的交替薄膜层在所需波长和偏振度下产生干涉效应，而后者利用局部共振或引导共振来实现高反射率。然而，薄膜在沉积过程中的不完善或薄膜之间的缺陷会导致激光能量被吸收，从而导致薄膜层之间熔化或热应力。这种热负荷会降低器件的光学性能，甚至给设备造成不可逆的损伤。 

       哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员为了解决这一难题，用地球上最坚固的材料之一——金刚石，制造了一面“镜子”。通过在一片薄薄的金刚石表面蚀刻纳米结构，研究团队构建了一个高反射镜，能够承受10千瓦海军激光的实验，而不会造成损坏。 

     “我们的单一材料镜面法消除了传统反射镜在受到较大光功率照射时产生的热应力问题，”SEAS的Tiantsai Lin电子工程教授和该论文的高级作者Marko Loncar说。"这种方法有可能改善或创造高功率激光器的新应用"。 

       Loncar的纳米光学实验室最初开发了在金刚石上蚀刻纳米结构的技术，用于量子光学和通信。 

      “我们想，为什么不把我们为量子应用开发的东西用于更经典的东西呢？”Haig Atikian说，他曾是SEAS的研究生和博士后研究员，也是这篇论文的第一作者。 

       利用这项技术，研究人员在3毫米×3毫米的金刚石片表面蚀刻了一组高尔夫球座形柱。高尔夫球座的形状，顶部宽，底部薄，使金刚石表面的反射率达到98.9%。 

       论文合著者Neil Sinclair说：“你可以制作99.999%反射率的反射器，但这些反射器有10-20层，这对于低功率激光来说很好，但肯定不能承受高功率。” 

       研究小组将测试安排在美国国防部指定的美国海军大学附属研究中心——宾夕法尼亚州立大学应用研究实验室。10 千瓦的激光聚焦到 3 x 3 毫米钻石上的 750 微米光斑上，大量能量集中在一个非常小的光斑上，反射镜安然无恙 。

       未来，研究人员设想这些“镜子”将用于国防应用、半导体制造、工业制造和宇宙通信。该方法也可用于较便宜的材料，例如熔融石英。

       Atikian, H.A., Sinclair, N., Latawiec,P. et al. Diamond mirrors for high-power continuous-wavelasers. Nat Commun 13, 2610 (2022).https://doi.org/10.1038/s41467-022-30335-2 https://doi.org/10.1038/s41467-022-30335-2