Espelhos de diamante para alto

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 2610 (2022) Citar este artigo

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Os lasers de onda contínua (CW) de alta potência são usados ​​em diversas áreas, incluindo indústria, medicina, comunicações e defesa. No entanto, a ótica convencional, baseada em revestimentos multicamadas, é danificada quando iluminada por luz laser CW de alta potência, principalmente devido à carga térmica. Isso dificulta a eficácia, restringe o escopo e a utilidade e aumenta o custo e a complexidade das aplicações de laser CW de alta potência. Aqui demonstramos espelhos monolíticos e altamente reflexivos que operam sob irradiação de laser CW de alta potência sem danos. Em contraste com os espelhos convencionais, os nossos são realizados gravando nanoestruturas na superfície do diamante de cristal único, um material com propriedades ópticas e térmicas excepcionais. Medimos refletividades superiores a 98% e demonstramos operação sem danos usando 10 kW de luz laser CW a 1070 nm, focada em um ponto de 750 μm de diâmetro. Em contraste, observamos danos a um espelho dielétrico convencional quando iluminado pelo mesmo feixe. Nossos resultados iniciam uma nova categoria de ótica que opera em condições extremas, que tem potencial para melhorar ou criar novas aplicações de lasers de alta potência.

Lasers CW de alta potência são usados ​​em corte, soldagem e limpeza em construção e manufatura1,2,3,4,5, energia direcionada em aplicações militares2,6,7, cirurgia médica2,8,9,10,11, comunicações12, 13,14 e sensoriamento15,16, ignição17,18, mineração19,20,21, bem como física atômico-molecular-óptica e espectroscopia2,22,23,24,25, entre outros. Essas aplicações requerem componentes ópticos, em particular espelhos, que suportam altas potências ópticas CW ou quase-CW para direcionar a luz do laser para o alvo. Os espelhos dielétricos convencionais usam revestimentos multicamadas26 ou filmes finos nanoestruturados27 para projetar seu espectro de reflexão. O primeiro utiliza camadas de filme fino alternadas de índice de refração e espessura variáveis ​​para gerar um efeito de interferência em um comprimento de onda e polarização desejados, enquanto o último aproveita ressonâncias localizadas ou guiadas para alcançar alta refletividade. No entanto, imperfeições e defeitos ou interfaces entre filmes finos formam locais onde a energia do laser pode ser absorvida28,29,30,31. Usando luz laser CW de alta potência, a absorção nesses locais gera calor significativo, causando derretimento ou estresse térmico entre as camadas do filme. Esta carga térmica degrada o desempenho óptico e produz danos irreversíveis ao espelho. Superamos essa limitação de revestimentos ópticos multicamadas e multimateriais por meio da engenharia de superfície da resposta óptica do diamante de cristal único para demonstrá-lo como um espelho altamente reflexivo para lasers CW de alta potência. O diamante é utilizado devido às suas propriedades excepcionais: índice de refração relativamente alto (2,4), banda proibida ampla (5,5 eV), alta dureza mecânica e resistência química e a maior condutividade térmica do material à temperatura ambiente (2200 W/K⋅m)32, 33,34. Consequentemente, materiais diamantados, em particular óticos, podem ser usados ​​em diversas aplicações e ambientes operacionais, veja por exemplo, Refs. 35,36,37,38,39 e referências nele contidas. Cristais fotônicos e metamateriais surgiram como uma tecnologia promissora para a adaptação de propriedades de feixes ópticos40,41,42,43,44. Estes são tipicamente compostos por matrizes bidimensionais de orifícios ou hastes em uma camada de filme fino que permitem a engenharia da distribuição espacial de amplitude, fase e resposta de polarização de um elemento óptico45,46,47,48. Muitos componentes ópticos foram realizados usando essa abordagem, como espelhos, lentes e óptica de polarização49,50,51,52,53,54. Convencionalmente, cristais fotônicos planares e metamateriais são formados por nanopadronização de um filme dielétrico (ou metálico) de alto índice que foi depositado em um substrato de baixo índice para alavancar o contraste de índice necessário para suportar ressonâncias ópticas55,56. No entanto, eles sofrem das mesmas limitações de manuseio de energia que os filmes finos multicamadas convencionais. Evitamos isso criando espelhos nanoestruturados a partir de um substrato monolítico, estrategicamente com propriedades excepcionais, criando um espelho que resiste à luz laser CW de alta potência.