Zowat elke auto, trein en vliegtuig die sinds 1970 is gebouwd, is vervaardigd met behulp van krachtige lasers die een continue lichtstraal afschieten. Deze lasers zijn sterk genoeg om staal te snijden, precies genoeg om operaties uit te voeren en krachtig genoeg om berichten de verre ruimte in te dragen. Ze zijn zelfs zo krachtig dat het moeilijk is om veerkrachtige en duurzame componenten te ontwerpen die de krachtige stralen die de lasers uitzenden kunnen controleren.

Tegenwoordig worden de meeste spiegels die worden gebruikt om de straal te richten in krachtige continue golf (CW) lasers gemaakt door dunne coatings van materialen met verschillende optische eigenschappen aan te brengen. Maar als er ook maar één klein defect is in een van de lagen, zal de krachtige laserstraal doorbranden, waardoor het hele apparaat uitvalt.

Als je van één materiaal een spiegel zou kunnen maken, zou dat de kans op defecten aanzienlijk verkleinen en de levensduur van de laser verlengen. Maar welk materiaal zou sterk genoeg zijn?

Nu hebben onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) een spiegel gemaakt van een van de sterkste materialen ter wereld:diamant. Door nanostructuren op het oppervlak van een dunne laag diamant te etsen, bouwde het onderzoeksteam een ​​sterk reflecterende spiegel die zonder schade bestand was tegen experimenten met een 10 kilowatt Navy-laser.

"Onze spiegelbenadering uit één materiaal elimineert de thermische spanningsproblemen die schadelijk zijn voor conventionele spiegels, gevormd door stapels van meerdere materialen, wanneer ze worden bestraald met grote optische krachten", zegt Marko Loncar, de Tiantsai Lin-hoogleraar Electrical Engineering aan SEAS en senior auteur van het artikel. "Deze aanpak heeft het potentieel om nieuwe toepassingen van krachtige lasers te verbeteren of te creëren."

Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Communications .

Loncar's Laboratory for Nanoscale Optics ontwikkelde oorspronkelijk de techniek om nanoschaalstructuren in diamanten te etsen voor toepassingen in kwantumoptica en communicatie.

"We dachten, waarom zouden we wat we hebben ontwikkeld niet gebruiken voor kwantumtoepassingen en het gebruiken voor iets meer klassieks", zegt Haig Atikian, een voormalig afgestudeerde student en postdoctoraal fellow bij SEAS en eerste auteur van het artikel.

Met behulp van deze techniek, die een ionenstraal gebruikt om de diamant te etsen, beeldhouwden de onderzoekers een reeks golf-tee-vormige kolommen op het oppervlak op een diamanten plaat van 3 bij 3 millimeter. De vorm van de golf tees, breed aan de bovenkant en smal aan de onderkant, maakt het oppervlak van de diamant 98,9% reflecterend.

"Je kunt reflectoren maken die 99,999% reflecterend zijn, maar die hebben 10-20 lagen, wat prima is voor lasers met een laag vermogen, maar zeker niet bestand zou zijn tegen hoge vermogens", zegt Neil Sinclair, een onderzoekswetenschapper bij SEAS en co- auteur van het blad.

Om de spiegel te testen met een krachtige laser, wendde het team zich tot medewerkers van het Pennsylvania State University Applied Research Laboratory, een ministerie van Defensie dat is aangewezen als het U.S. Navy University Affiliated Research Center.

Daar, in een speciaal ontworpen kamer die is vergrendeld om te voorkomen dat gevaarlijke niveaus van laserlicht naar buiten sijpelen en die in de aangrenzende kamer verblinden of verbranden, plaatsen de onderzoekers hun spiegel voor een laser van 10 kilowatt, sterk genoeg om door staal te branden .

De spiegel kwam er ongeschonden uit.

"Het verkoopargument van dit onderzoek is dat we een laser van 10 kilowatt hadden gefocust op een plek van 750 micron op een diamant van 3 bij 3 millimeter, wat veel energie is die op een heel kleine plek is gefocust, en we hebben het niet verbrand", zei Atikian. "Dit is belangrijk, want naarmate lasersystemen steeds meer energie verbruiken, moet je creatieve manieren bedenken om de optische componenten robuuster te maken."

In de toekomst stellen de onderzoekers zich voor dat deze spiegels worden gebruikt voor defensietoepassingen, halfgeleiderproductie, industriële productie en deep space-communicatie. De aanpak kan ook worden gebruikt in minder dure materialen, zoals gesmolten silica.

Harvard OTD heeft het intellectuele eigendom van dit project beschermd en onderzoekt de mogelijkheden voor commercialisering. + Verder verkennen

Eerste geïntegreerde laser op lithiumniobaatchip