Lo specchio diamantato resiste ai laser abbastanza potenti da bruciare l'acciaio

I laser ad alta potenza hanno un ruolo in tutto, dalla produzione alle comunicazioni nello spazio profondo, e il continuo sviluppo di versioni più potenti richiede un ripensamento sui componenti responsabili della direzione dei raggi di luce. Questo ha portato un team di ingegneri di Harvard a rivolgersi a uno dei materiali più resistenti conosciuti, i diamanti, che hanno utilizzato per formare un nuovo specchio in grado di sopportare raggi laser abbastanza forti da bruciare l'acciaio.

Il nuovo e robusto specchio è stato sviluppato in risposta ad alcune delle carenze degli attuali sistemi laser a onda continua ad alta potenza. Gli specchi utilizzati per dirigere i raggi in questi laser sono formati da sottili strati di materiali con proprietà ottiche variabili. Se uno di questi strati presenta anche un piccolo difetto, il laser brucerà attraverso lo specchio invece di rimbalzare su di esso, annullando l’intera operazione.

Un approccio più semplice potrebbe essere quello di utilizzare un unico materiale per l'intero specchio per limitare la possibilità di difetti, ma non è così semplice come prendere uno dei materiali più resistenti che puoi trovare e metterlo al lavoro. Per formare il loro nuovo specchio di diamante, il gruppo di ricerca ha dovuto sfruttare tecniche di incisione all’avanguardia originariamente sviluppate per scolpire strutture su scala nanometrica nei diamanti da utilizzare nell’ottica e nelle comunicazioni quantistiche.

"Abbiamo pensato, perché non utilizzare ciò che abbiamo sviluppato per applicazioni quantistiche e utilizzarlo per qualcosa di più classico", ha affermato Haig Atikian, primo autore dell'articolo.

Ciò ha comportato l’utilizzo di un fascio ionico per incidere strutture microscopiche a forma di maglietta da golf sulla superficie di un sottile foglio diamantato che misura solo 3 x 3 mm (0,1 x 0,1 pollici). Queste strutture sono ciò che conferisce allo specchio di diamante le sue proprietà riflettenti, con gli scienziati che arrivano a una riflettività del 98,9% come punto debole che aiuta a mantenerne la durata.

"È possibile realizzare riflettori riflettenti al 99,999%, ma con 10-20 strati, il che va bene per il laser a bassa potenza ma certamente non sarebbe in grado di resistere a potenze elevate", ha affermato Neil Sinclair, coautore dell'articolo.

Gli scienziati hanno messo alla prova il loro nuovo specchio posizionandolo davanti a un laser da 10 kW utilizzato per la ricerca dalla Marina degli Stati Uniti, che secondo loro è abbastanza potente da bruciare l'acciaio. Lo specchio è uscito completamente illeso.

"Il punto di forza di questa ricerca è che avevamo un laser da 10 kilowatt focalizzato in un punto di 750 micron su un diamante di 3 x 3 millimetri, che significa molta energia focalizzata su un punto molto piccolo, e non l'abbiamo bruciato", ha detto Atikian. "Questo è importante perché poiché i sistemi laser diventano sempre più assetati di energia, è necessario trovare modi creativi per rendere i componenti ottici più robusti."

Gli scienziati stanno esplorando la commercializzazione della tecnologia e immaginano che i loro nuovi specchi diamantati vengano utilizzati per far avanzare campi che vanno dalla produzione e difesa dei semiconduttori alle comunicazioni nello spazio profondo e alla produzione industriale.

"Il nostro approccio allo specchio monomateriale elimina i problemi di stress termico che sono dannosi per gli specchi convenzionali, formati da pile multimateriale, quando vengono irradiati con grandi potenze ottiche", ha affermato Marko Loncar, autore senior dell'articolo. "Questo approccio ha il potenziale per migliorare o creare nuove applicazioni di laser ad alta potenza."

La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Nature Communications.

Fonte: Università di Harvard