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在高功率連續波激光器中，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，導致整個裝置失靈。
哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院(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波激光的鏡子。
通過在金剛石薄片表面蝕刻出納米結構，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，并發現這種反射鏡可以承受來自高功率、連續激光的熱量，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，消除了傳統反射鏡在大光功率照射下由多材料疊加形成的熱應力問題。這種方法將有望改善或創造高功率激光的新應用。”
Marko Loncar的納米光學實驗室最初開發了在金剛石中雕刻納米級結構的技術，不過當時這種尖端蝕刻技術是應用于量子光學和通信方面。后來他們轉念一想，覺得把這用在其他更經典的場景(像反射鏡)當中不是也很好嗎？
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應用研究實驗室(美國國防部指定的美國海軍大學附屬研究中心)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，因為隨著激光系統變得越來越耗電，不少采用者都希望能夠用一些創造性的方法使光學元件更耐用。
這種方法有望改善或創造高功率激光器的新應用。哈佛大學技術開發局(OTD)已經對與該項目相關的知識產權進行了保護，并努力探索該技術的商業化機會。在未來，研究人員預計這些鏡子將用于國防應用、半導體制造、工業制造和深空通信。
這項研究是在哈佛大學納米系統中心(CNS)進行的，該中心是國家納米技術協調基礎設施網絡(NNCI)的成員，由國家科學基金會提供支持。相關研究成果發表在《自然·通訊》(Nature Communications)雜志上。
浙公網安備 33010602000006號
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