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在高功率連續(xù)波激光器中，大多數(shù)用于引導(dǎo)光束的反射鏡都是由具有不同光學(xué)特性的材料薄層制成的。但只要每一層有一個(gè)微小的缺陷，強(qiáng)大的激光束就會(huì)穿透反射鏡，導(dǎo)致整個(gè)裝置失靈。
哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)的研究人員認(rèn)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(jiān)固的材料，建造了一面強(qiáng)大得足以承受高功率連續(xù)波激光的鏡子。
通過(guò)在金剛石薄片表面蝕刻出納米結(jié)構(gòu)，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(xué)特性的薄層材料形成的。之后，美國(guó)海軍用10千瓦的激光對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并發(fā)現(xiàn)這種反射鏡可以承受來(lái)自高功率、連續(xù)激光的熱量，而不會(huì)被破壞。
SEAS電氣工程教授、該論文的資深作者M(jìn)arko Loncar指出：“我們的單材料反射鏡方法，消除了傳統(tǒng)反射鏡在大光功率照射下由多材料疊加形成的熱應(yīng)力問(wèn)題。這種方法將有望改善或創(chuàng)造高功率激光的新應(yīng)用。”
Marko Loncar的納米光學(xué)實(shí)驗(yàn)室最初開(kāi)發(fā)了在金剛石中雕刻納米級(jí)結(jié)構(gòu)的技術(shù)，不過(guò)當(dāng)時(shí)這種尖端蝕刻技術(shù)是應(yīng)用于量子光學(xué)和通信方面。后來(lái)他們轉(zhuǎn)念一想，覺(jué)得把這用在其他更經(jīng)典的場(chǎng)景(像反射鏡)當(dāng)中不是也很好嗎？
說(shuō)干就干，研究人員開(kāi)始了用激光離子束蝕刻鉆石的探索與操作。他們?cè)?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(dá)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(duì)于低功率激光來(lái)說(shuō)沒(méi)問(wèn)題，但卻肯定無(wú)法承受高功率。”SEAS的研究科學(xué)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(cè)試這種鏡子，研究小組從賓夕法尼亞州立大學(xué)應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室(美國(guó)國(guó)防部指定的美國(guó)海軍大學(xué)附屬研究中心)的合作者那里獲得了幫助。
實(shí)驗(yàn)在一個(gè)專門(mén)設(shè)計(jì)的房間里進(jìn)行。為了防止危險(xiǎn)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(gè)10千瓦的激光器前，而激光的強(qiáng)度足以穿透鋼鐵。
他們將10千瓦的激光束聚焦到一個(gè)750微米的非常小的點(diǎn)上，從而產(chǎn)生了巨大的能量。然而，在這股巨大能量聚焦的點(diǎn)上，反射鏡卻沒(méi)有被燒毀。對(duì)于不少應(yīng)用場(chǎng)景而言，能夠做到這一點(diǎn)其實(shí)非常重要，因?yàn)殡S著激光系統(tǒng)變得越來(lái)越耗電，不少采用者都希望能夠用一些創(chuàng)造性的方法使光學(xué)元件更耐用。
這種方法有望改善或創(chuàng)造高功率激光器的新應(yīng)用。哈佛大學(xué)技術(shù)開(kāi)發(fā)局(OTD)已經(jīng)對(duì)與該項(xiàng)目相關(guān)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)進(jìn)行了保護(hù)，并努力探索該技術(shù)的商業(yè)化機(jī)會(huì)。在未來(lái)，研究人員預(yù)計(jì)這些鏡子將用于國(guó)防應(yīng)用、半導(dǎo)體制造、工業(yè)制造和深空通信。
這項(xiàng)研究是在哈佛大學(xué)納米系統(tǒng)中心(CNS)進(jìn)行的，該中心是國(guó)家納米技術(shù)協(xié)調(diào)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)(NNCI)的成員，由國(guó)家科學(xué)基金會(huì)提供支持。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然·通訊》(Nature Communications)雜志上。
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