Nature Communications：针对高功率激光的金刚石反射镜，反射率高达98.9%

       20世纪70年代以来，几乎所有汽车、火车和飞机等制造都需要高能激光器，这种激光器能够发出连续光束，并且激光能量足以切割钢铁，精确度足以进行外科手术，强度足以将信息传递至深空。实际上，如此强大的光束要求激光器的部件足够弹性和持久，以控制光束，而这种部件的设计是非常有挑战性的。

图1 金刚石反射镜表面的纳米结构反射高能连续激光的艺术效果图。（图片来源：Loncar Lab/Harvard SEAS）

       目前，在高功率连续波（CW）激光器中，大多数控制光束方向的反射镜由不同光学性质的薄膜材料制成。然而，若任一层材料有微小缺陷，高能激光束会穿透它们，导致整个设备都无法工作。

       如果科学家可以用一种材料制作镜子，该部件的应用会显著降低缺陷的可能性，并延长激光器的寿命，那么，哪种材料足够坚硬并抵抗住激光呢？

       美国哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（以下简称SEAS）团队用自然界最坚硬的材料之一——钻石——制造了一面镜子。通过金刚石薄层表面刻蚀的纳米结构，该反射镜具有高反射率，可以承受住10 kW的美国海军激光，并且没有损坏。

       “这种单一材料反射镜避免了热效应带来的应力问题，由多种材料堆叠构成的传统反射镜通常会在高光强下产生热应力问题，”该论文通讯作者，SEAS电气工程专业教授Marko Loncar说，“这种方法可能改进或创新高功率激光器的更多应用。”

       以上研究成果发表在期刊《Nature Communications》上。

       最初，Locar教授的纳米光学实验室开发了在金刚石表面刻蚀纳米结构的技术，应用于量子光学和通讯等领域。

       “我们便想，为什么不把这种技术用于量子研究以及经典领域，”该论文第一作者，SEAS博士生、现为SEAS博士后Haig Atikian说。

图2 镜子的缩放扫描电子显微镜成像。（图片来源：Loncar Lab/Harvard SEAS）

       利用该技术，研究人员通过离子束，在一个3 mm×3 mm的金刚石薄片表面刻蚀了一系列形如高尔夫球座的纳米柱（如图2）。这种柱子顶部宽，底部窄，并使金刚石表面反射率高达98.9%。

       “你可以制造反射率为99.999%的反射镜，但这种反射镜有10-20层，通常用于低功率激光器，不能承受高功率激光，”该论文作者之一，SEAS研究科学家Neil Sinclair说。

       为了利用高功率激光测试反射镜，该团队与宾夕法尼亚州立大学应用研究实验室——美国国防部指定的美国海军大学附属研究中心合作。

       在该中心的一间特别房间里，研究人员把镜子放在一个10 kW激光器前面，这种激光足以烧穿钢铁。

       而镜子毫发无损。

       “这项研究的卖点是，10 kW的激光聚焦为750 μm的光点，并投射到3 mm×3 mm金刚石薄片上，该点的能量密度非常大，但没有烧毁金刚石，”Atikian说，“这一点非常重要，随着激光系统越来越高能，你需要想出创造性的方法，使光学元件更加坚固。”

       在未来，研究人员计划将这些反射镜应用于国防、半导体制造、工业制造和深空通信等领域，这种方法也可用于较便宜的材料，如熔凝石英。

       哈佛大学技术开发办公室（OTD）已保护该项目有关的知识产权，并探索商业化机会。