Алмазные зеркала для высоких

Nature Communications, том 13, номер статьи: 2610 (2022) Цитировать эту статью

8378 Доступов

1 Цитаты

161 Альтметрика

Подробности о метриках

Мощные лазеры непрерывного действия (CW) используются в различных областях, включая промышленность, медицину, связь и оборону. Однако традиционная оптика, основанная на многослойных покрытиях, повреждается при освещении мощным непрерывным лазерным светом, в первую очередь из-за термической нагрузки. Это снижает эффективность, ограничивает область применения и полезность, а также повышает стоимость и сложность применения мощных лазеров непрерывного действия. Здесь мы демонстрируем монолитные зеркала с высокой отражающей способностью, которые работают под воздействием мощного непрерывного лазерного излучения без повреждений. В отличие от обычных зеркал, наши создаются путем травления наноструктур на поверхности монокристаллического алмаза, материала с исключительными оптическими и термическими свойствами. Мы измеряем коэффициент отражения более 98% и демонстрируем работу без повреждений, используя 10 кВт непрерывного лазерного света с длиной волны 1070 нм, сфокусированного в пятно диаметром 750 мкм. Напротив, мы наблюдаем повреждение обычного диэлектрического зеркала при освещении тем же лучом. Наши результаты открывают новую категорию оптики, работающей в экстремальных условиях, которая имеет потенциал для улучшения или создания новых применений мощных лазеров.

Мощные непрерывные лазеры используются при резке, сварке и очистке в строительстве и производстве1,2,3,4,5, направленной энергии в военных целях2,6,7, медицинской хирургии2,8,9,10,11, связи12, 13,14 и зондирование15,16, зажигание17,18, горное дело19,20,21, а также атомно-молекулярно-оптическая физика и спектроскопия2,22,23,24,25 и другие. Эти приложения требуют оптических компонентов, в частности зеркал, которые выдерживают высокие оптические мощности непрерывного или квазинепрерывного излучения для направления света от лазера на мишень. В обычных диэлектрических зеркалах используются многослойные покрытия26 или тонкие наноструктурированные пленки27 для создания спектра отражения. В первом используются чередующиеся тонкопленочные слои с различным показателем преломления и толщиной для создания интерференционного эффекта на желаемой длине волны и поляризации, а во втором используются локализованные или направленные резонансы для достижения высокой отражательной способности. Тем не менее, несовершенства и дефекты в тонких пленках или границах раздела между ними образуют места, где лазерная энергия может поглощаться28,29,30,31. При использовании мощного непрерывного лазерного излучения поглощение в этих местах приводит к выделению значительного количества тепла, вызывающего плавление или термическое напряжение между слоями пленки. Эта термическая нагрузка ухудшает оптические характеристики и приводит к необратимому повреждению зеркала. Мы преодолеваем это ограничение многослойных оптических покрытий из нескольких материалов путем разработки поверхности оптического отклика монокристаллического алмаза, чтобы продемонстрировать его в качестве зеркала с высокой отражающей способностью для мощных непрерывных лазеров. Применение алмаза обусловлено его исключительными свойствами: относительно высоким показателем преломления (2,4), широкой запрещенной зоной (5,5 эВ), высокой механической твердостью и химической стойкостью, а также высочайшей теплопроводностью материала при комнатной температуре (2200 Вт/К⋅м)32. 33,34. Следовательно, алмазные материалы, в частности оптика, могут использоваться в широком диапазоне применений и рабочих сред, см., например, работы. 35,36,37,38,39 и ссылки в них. Фотонные кристаллы и метаматериалы стали многообещающей технологией для настройки свойств оптических лучей40,41,42,43,44. Обычно они состоят из двумерных массивов отверстий или стержней в тонкопленочном слое, которые позволяют проектировать пространственное распределение амплитуды, фазы и поляризационного отклика оптического элемента45,46,47,48. С использованием этого подхода были реализованы многие оптические компоненты, такие как зеркала, линзы и поляризационная оптика49,50,51,52,53,54. Традиционно плоские фотонные кристаллы и метаматериалы формируются путем наноструктурирования диэлектрической (или металлической) пленки с высоким показателем преломления, которая наносится на подложку с низким показателем преломления для усиления контраста показателей, необходимого для поддержки оптических резонансов55,56. Тем не менее, они страдают от тех же ограничений по мощности, что и обычные многослойные тонкие пленки. Мы избегаем этого, создавая наноструктурированные зеркала из монолитной подложки, стратегически обладающие исключительными свойствами, создавая зеркало, которое выдерживает излучение мощного непрерывного лазера.