超硬材料網

       美國哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院（SEAS）的研究人員成功研制出一種用于新型高功率連續波（CW）激光器的金剛石反射鏡。該研究成果發表在《NatureCommunications》上。

       自1970年以來，幾乎每一輛汽車、火車和飛機的制造都離不開能發射連續波的高功率激光器。這些激光的強度足以切割鋼材，精度足以進行外科手術，威力足以將信息傳送到外太空。事實上，它們的威力如此之大，以至于很難設計出能夠控制激光器發出的強大光束的有彈性和持久性的部件。 

       傳統高功率連續波（CW）激光器中使用的反射鏡通常使用多層涂層或納米結構薄膜來設計反射光譜。前者利用不同折射率和厚度的交替薄膜層在所需波長和偏振度下產生干涉效應，而后者利用局部共振或引導共振來實現高反射率。然而，薄膜在沉積過程中的不完善或薄膜之間的缺陷會導致激光能量被吸收，從而導致薄膜層之間熔化或熱應力。這種熱負荷會降低器件的光學性能，甚至給設備造成不可逆的損傷。 

       哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院（SEAS）的研究人員為了解決這一難題，用地球上最堅固的材料之一——金剛石，制造了一面“鏡子”。通過在一片薄薄的金剛石表面蝕刻納米結構，研究團隊構建了一個高反射鏡，能夠承受10千瓦海軍激光的實驗，而不會造成損壞。 

     “我們的單一材料鏡面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，”SEAS的Tiantsai Lin電子工程教授和該論文的高級作者Marko Loncar說。"這種方法有可能改善或創造高功率激光器的新應用"。 

       Loncar的納米光學實驗室最初開發了在金剛石上蝕刻納米結構的技術，用于量子光學和通信。 

      “我們想，為什么不把我們為量子應用開發的東西用于更經典的東西呢？”Haig Atikian說，他曾是SEAS的研究生和博士后研究員，也是這篇論文的第一作者。 

       利用這項技術，研究人員在3毫米×3毫米的金剛石片表面蝕刻了一組高爾夫球座形柱。高爾夫球座的形狀，頂部寬，底部薄，使金剛石表面的反射率達到98.9%。 

       論文合著者Neil Sinclair說：“你可以制作99.999%反射率的反射器，但這些反射器有10-20層，這對于低功率激光來說很好，但肯定不能承受高功率?！?nbsp;

       研究小組將測試安排在美國國防部指定的美國海軍大學附屬研究中心——賓夕法尼亞州立大學應用研究實驗室。10 千瓦的激光聚焦到 3 x 3 毫米鉆石上的 750 微米光斑上，大量能量集中在一個非常小的光斑上，反射鏡安然無恙 。

       未來，研究人員設想這些“鏡子”將用于國防應用、半導體制造、工業制造和宇宙通信。該方法也可用于較便宜的材料，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