Diamentowe lustra do laserów o dużej mocy

Już od lat 60. XX wieku lasery dużej mocy o pracy ciągłej (takie, jak na bondowskim filmie „Goldfinger z roku 1964) są stosowane w procesach produkcyjnych – na przykład w przemyśle lotniczym i samochodowym. Jak to ujmuje filmowy czarny charakter, Auric Goldfinger, "ten przemysłowy laser może wyświetlić punkt na Księżycu – albo - na krótszy dystans, ciąć stal". Dzięki precyzji cięcia mocne lasery znajdują też zastosowanie w chirurgii (Jamesowi Bondowi groziła przez moment swego rodzaju laserowa operacja).

Duża moc jest też słabym punktem laserów o pracy ciągłej - trudno zaprojektować tak odporne i trwałe komponenty, aby były w stanie kontrolować emitowane przez nie wiązki.

Obecnie większość luster używanych do kierowania wiązką w laserach o pracy ciągłej i dużej mocy (CW) jest wytwarzanych przez nakładanie cienkich warstw materiałów o różnych właściwościach optycznych. Wystarczy jednak jeden drobny defekt w którejkolwiek z warstw, by lustro uległo zniszczeniu, powodując awarię całego urządzenia.

Rozwiązaniem mogłoby być lustro z jednolitego materiału, możliwie najmocniejszego.

Naukowcy z Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) zbudowali lustro z diamentu. Bez uszkodzeń wytrzymało ono eksperymenty z 10-kilowatowym laserem marynarki wojennej.

„Nasze podejście do zwierciadeł jednomateriałowych eliminuje problemy naprężeń termicznych, które są szkodliwe dla konwencjonalnych zwierciadeł, utworzonych przez warstwy wielu materiałów, gdy są one napromieniowane dużymi mocami optycznymi” – powiedział Marko Loncar, profesor inżynierii elektrycznej w SEAS i starszy autor artykułu. - „To podejście ma potencjał do ulepszenia lub stworzenia nowych zastosowań laserów dużej mocy”.

Loncar’s Laboratory for Nanoscale Optics pierwotnie opracowało technikę wytrawiania nanostruktur w diamencie do zastosowań w optyce kwantowej i komunikacji.

„Pomyśleliśmy: dlaczego nie wykorzystać tego, co opracowaliśmy, do zastosowań kwantowych - i użyć tego do czegoś bardziej klasycznego” – powiedział Haig Atikian, były doktorant i pracownik naukowy SEAS oraz pierwszy autor publikacji z badań (DOI 10.1038/s41467-022-30335-2).

Wykorzystując wiązkę jonów do wytrawiania diamentu, naukowcy wyrzeźbili szereg strukturo kształcie podstawki pod piłeczkę golfową (inaczej mówiąc - grzybka o wklesłym kapeluszu) na powierzchni diamentowej płytki o wymiarach 3 na 3 mm. Dzięki temu powierzchnia diamentu odbijała 98,9 proc. padającego na nią światła lasera.

„Można zrobić odbłyśniki, które odbijają 99,999 proc, ale mają one 10-20 warstw, co wystarcza dla laserów o małej mocy, ale z pewnością nie byłyby w stanie wytrzymać wysokich mocy”, powiedział Neil Sinclair, naukowiec z SEAS i współautor artykułu.

Testy przeprowadzono przy użyciu wojskowego lasera (zbudowanego dla US Navy) dzięki Pennsylvania State University Applied Research Laboratory, współpracującego z Departmentem Obrony.

W specjalnie zaprojektowanym pomieszczeniu, z którego nie wydostaje się światło (co zabezpiecza osoby w sąsiednich pomieszczenniaich przed oparzeniami lub oślepieniem), naukowcy postawili swoje lustro przed 10-kilowatowym laserem, wystarczająco silnym, aby przepalić stal.

„Mieliśmy 10-kilowatowy laser skupiony na plamce o średnicy 750 mikrometrów (0,75 milimetra) na diamencie o wymiarach 3 na 3 milimetry, co oznacza dużo energii skupionej na bardzo małej plamce, i nie spaliliśmy go”, powiedział Atikian. „To ważne, ponieważ systemy laserowe stają się coraz bardziej energochłonne, dlatego trzeba wymyślać kreatywne sposoby na zwiększenie wytrzymałości elementów optycznych”.

Naukowcy przewidują, że w przyszłości diamentowe zwierciadła będą wykorzystywane w zastosowaniach obronnych, produkcji półprzewodników, produkcji przemysłowej i komunikacji w kosmosie.Można by także wykonywać podobne zwierciadła z tańszych materiałów, takich jak topiona krzemionka.

Harvard zapewnił ochronę własności intelektualnej związanej z tym projektem i bada możliwości komercjalizacji.(PAP)

Autor: Paweł Wernicki

pmw/ zan/