Specchi diamantati per alti

Nature Communications volume 13, numero articolo: 2610 (2022) Citare questo articolo

8320 accessi

1 Citazioni

161 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

I laser a onda continua (CW) ad alta potenza sono utilizzati in una varietà di settori tra cui l'industria, la medicina, le comunicazioni e la difesa. Tuttavia, le ottiche convenzionali, basate su rivestimenti multistrato, vengono danneggiate quando illuminate da luce laser CW ad alta potenza, principalmente a causa del carico termico. Ciò ostacola l’efficacia, limita la portata e l’utilità e aumenta il costo e la complessità delle applicazioni laser CW ad alta potenza. Qui dimostriamo specchi monolitici e altamente riflettenti che funzionano sotto irradiazione laser CW ad alta potenza senza danni. A differenza degli specchi convenzionali, i nostri sono realizzati incidendo nanostrutture sulla superficie del diamante monocristallo, un materiale con eccezionali proprietà ottiche e termiche. Misuriamo riflettività superiori al 98% e dimostriamo un funzionamento senza danni utilizzando 10 kW di luce laser CW a 1070 nm, focalizzata su un punto di 750 μm di diametro. Al contrario, osserviamo danni a uno specchio dielettrico convenzionale quando illuminato dallo stesso raggio. I nostri risultati danno vita a una nuova categoria di ottiche che operano in condizioni estreme, che ha il potenziale per migliorare o creare nuove applicazioni di laser ad alta potenza.

I laser CW ad alta potenza vengono utilizzati nel taglio, nella saldatura e nella pulizia nell'edilizia e nella produzione1,2,3,4,5, energia diretta in applicazioni militari2,6,7, chirurgia medica2,8,9,10,11, comunicazioni12, 13,14 e rilevamento15,16, accensione17,18, estrazione mineraria19,20,21, nonché fisica atomica-molecolare-ottica e spettroscopia2,22,23,24,25, tra gli altri. Queste applicazioni richiedono componenti ottici, in particolare specchi, che resistano a potenze ottiche CW o quasi-CW elevate per dirigere la luce dal laser al bersaglio. Gli specchi dielettrici convenzionali utilizzano rivestimenti multistrato26 o pellicole sottili nanostrutturate27 per progettare il loro spettro di riflessione. Il primo utilizza strati alternati di film sottile con indice di rifrazione e spessore variabili per generare un effetto di interferenza alla lunghezza d'onda e alla polarizzazione desiderate, mentre il secondo sfrutta risonanze localizzate o guidate per ottenere un'elevata riflettività. Tuttavia, le imperfezioni e i difetti o le interfacce tra i film sottili formano siti in cui l’energia laser può essere assorbita28,29,30,31. Utilizzando la luce laser CW ad alta potenza, l’assorbimento in questi siti genera un calore significativo, causando fusione o stress termico tra gli strati della pellicola. Questo carico termico degrada le prestazioni ottiche e produce danni irreversibili allo specchio. Superiamo questa limitazione dei rivestimenti ottici multistrato e multimateriale ingegnerizzando la risposta ottica del diamante monocristallino per dimostrarlo come uno specchio altamente riflettente per laser CW ad alta potenza. Il diamante viene utilizzato per le sue eccezionali proprietà: indice di rifrazione relativamente elevato (2,4), ampio bandgap (5,5 eV), elevata durezza meccanica e resistenza chimica e la più alta conduttività termica del materiale a temperatura ambiente (2200 W/K⋅m)32, 33,34. Di conseguenza, i materiali diamantati, in particolare l'ottica, possono essere utilizzati in una vasta gamma di applicazioni e ambienti operativi, vedere ad esempio Rif. 35,36,37,38,39 e riferimenti ivi contenuti. Cristalli fotonici e metamateriali sono emersi come una tecnologia promettente per personalizzare le proprietà dei raggi ottici40,41,42,43,44. Questi sono tipicamente composti da matrici bidimensionali di fori o aste in uno strato di pellicola sottile che consentono di progettare la distribuzione spaziale della risposta di ampiezza, fase e polarizzazione di un elemento ottico45,46,47,48. Molti componenti ottici sono stati realizzati utilizzando questo approccio, come specchi, lenti e ottiche di polarizzazione49,50,51,52,53,54. Convenzionalmente, i cristalli fotonici planari e i metamateriali sono formati mediante nanopatterning di una pellicola dielettrica (o metallica) ad alto indice che è stata depositata su un substrato a basso indice per sfruttare l'indice di contrasto necessario per supportare le risonanze ottiche55,56. Tuttavia, questi presentano gli stessi limiti di gestione della potenza dei film sottili multistrato convenzionali. Evitiamo questo creando specchi nanostrutturati da un substrato monolitico, strategicamente uno con proprietà eccezionali, creando uno specchio che resiste alla luce laser CW ad alta potenza.