美國哈佛大學(xué)約翰·A·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的研究人員成功研制出一種用于新型高功率連續(xù)波（CW）激光器的金剛石反射鏡。該研究成果發(fā)表在《NatureCommunications》上。

       自1970年以來，幾乎每一輛汽車、火車和飛機的制造都離不開能發(fā)射連續(xù)波的高功率激光器。這些激光的強度足以切割鋼材，精度足以進行外科手術(shù)，威力足以將信息傳送到外太空。事實上，它們的威力如此之大，以至于很難設(shè)計出能夠控制激光器發(fā)出的強大光束的有彈性和持久性的部件。 

       傳統(tǒng)高功率連續(xù)波（CW）激光器中使用的反射鏡通常使用多層涂層或納米結(jié)構(gòu)薄膜來設(shè)計反射光譜。前者利用不同折射率和厚度的交替薄膜層在所需波長和偏振度下產(chǎn)生干涉效應(yīng)，而后者利用局部共振或引導(dǎo)共振來實現(xiàn)高反射率。然而，薄膜在沉積過程中的不完善或薄膜之間的缺陷會導(dǎo)致激光能量被吸收，從而導(dǎo)致薄膜層之間熔化或熱應(yīng)力。這種熱負荷會降低器件的光學(xué)性能，甚至給設(shè)備造成不可逆的損傷。 

       哈佛大學(xué)約翰·A·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的研究人員為了解決這一難題，用地球上最堅固的材料之一——金剛石，制造了一面“鏡子”。通過在一片薄薄的金剛石表面蝕刻納米結(jié)構(gòu)，研究團隊構(gòu)建了一個高反射鏡，能夠承受10千瓦海軍激光的實驗，而不會造成損壞。 

     “我們的單一材料鏡面法消除了傳統(tǒng)反射鏡在受到較大光功率照射時產(chǎn)生的熱應(yīng)力問題，”SEAS的Tiantsai Lin電子工程教授和該論文的高級作者Marko Loncar說。"這種方法有可能改善或創(chuàng)造高功率激光器的新應(yīng)用"。 

       Loncar的納米光學(xué)實驗室最初開發(fā)了在金剛石上蝕刻納米結(jié)構(gòu)的技術(shù)，用于量子光學(xué)和通信。 

      “我們想，為什么不把我們?yōu)榱孔討?yīng)用開發(fā)的東西用于更經(jīng)典的東西呢？”Haig Atikian說，他曾是SEAS的研究生和博士后研究員，也是這篇論文的第一作者。 

       利用這項技術(shù)，研究人員在3毫米×3毫米的金剛石片表面蝕刻了一組高爾夫球座形柱。高爾夫球座的形狀，頂部寬，底部薄，使金剛石表面的反射率達到98.9%。 

       論文合著者Neil Sinclair說：“你可以制作99.999%反射率的反射器，但這些反射器有10-20層，這對于低功率激光來說很好，但肯定不能承受高功率?！?nbsp;

       研究小組將測試安排在美國國防部指定的美國海軍大學(xué)附屬研究中心——賓夕法尼亞州立大學(xué)應(yīng)用研究實驗室。10 千瓦的激光聚焦到 3 x 3 毫米鉆石上的 750 微米光斑上，大量能量集中在一個非常小的光斑上，反射鏡安然無恙 。

       未來，研究人員設(shè)想這些“鏡子”將用于國防應(yīng)用、半導(dǎo)體制造、工業(yè)制造和宇宙通信。該方法也可用于較便宜的材料，例如熔融石英。

       Atikian, H.A., Sinclair, N., Latawiec,P. et al. Diamond mirrors for high-power continuous-wavelasers. Nat Commun 13, 2610 (2022).https://doi.org/10.1038/s41467-022-30335-2 https://doi.org/10.1038/s41467-022-30335-2