Новое алмазное зеркало выдерживает лазеры, достаточно мощные, чтобы прожечь сталь

Мощные лазеры участвуют во всем, от производства до связи в дальнем космосе, и продолжающаяся разработка более мощных версий требует переосмысления компонентов, отвечающих за управление их световыми лучами. Команда инженеров из Гарварда обратилась к одному из самых прочных известных материалов — алмазу, который они использовали для создания нового зеркала, способного выдержать лазерные лучи, достаточно сильные, чтобы прожечь сталь.

Прочное новое зеркало было разработано в ответ на некоторые недостатки современных мощных лазерных систем непрерывного действия. Зеркала, используемые для направления лучей в этих лазерах, образованы тонкими слоями материалов с различными оптическими свойствами.

Если в одном из этих слоев есть хотя бы крошечный дефект, лазер прожжет зеркало, а не отразится от него, что приведет к поломке.

Более простой подход может состоять в том, чтобы использовать один материал для всего зеркала, чтобы ограничить возможность дефектов, но это не так просто, как взять один из самых прочных материалов, которые вы можете найти, и заставить его работать.

Чтобы сформировать свое новое алмазное зеркало, исследовательской группе пришлось использовать передовые методы травления, первоначально разработанные для вырезания наноразмерных структур в алмазах для использования в квантовой оптике и коммуникациях.

«Мы подумали, почему бы не использовать то, что мы разработали, для квантовых приложений и использовать это для чего-то более классического», — сказал Хейг Атикян, первый автор статьи.

Это включало использование ионного луча для травления микроскопических структур на поверхности тонкого алмазного листа размером всего 3 x 3 мм. Именно эти структуры придают алмазному зеркалу его отражающие свойства, и ученые пришли к выводу, что коэффициент отражения 98,9% является оптимальным показателем, который помогает сохранить его долговечность.

«Можно сделать отражатели с коэффициентом отражения 99,999%, но с 10-20 слоями, что хорошо для маломощного лазера, но, конечно, не сможет выдержать большие мощности», — сказал Нил Синклер, соавтор статьи.

Ученые испытали свое новое зеркало, поместив его перед лазером мощностью 10 кВт, который, как они отмечают, достаточно силен, чтобы прожечь сталь. Зеркало осталось совершенно невредимым.

«Преимущество этого исследования заключается в том, что у нас был 10-киловаттный лазер, сфокусированный в пятно размером 750 микрон на алмазе размером 3 на 3 миллиметра, что представляет собой большое количество энергии, сфокусированное в очень маленьком пятне, и мы его не прожгли», — говорят ученые.

«Это важно, потому что по мере того, как лазерные системы становятся все более и более энергоемкими, вам необходимо придумывать творческие способы сделать оптические компоненты более надежными».

Ученые изучают возможность коммерциализации технологии и представляют, что их новые алмазные зеркала будут использоваться для развития различных областей, от производства полупроводников до связи в дальнем космосе и промышленного производства.

«Наш подход к зеркалу из одного материала устраняет проблемы теплового напряжения, которые вредны для обычных зеркал, образованных пакетами из нескольких материалов, когда они облучаются с большой оптической силой», — говорят ученые.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.