哈佛大学开发出特殊金刚石反射镜，可承受10kW激光聚焦热量

在高功率连续波激光器中，大多数用于引导光束的反射镜都是由具有不同光学特性的材料薄层制成的。但只要每一层有一个微小的缺陷，强大的激光束就会穿透反射镜，导致整个装置失灵。

哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员认为，由单一材料制成的镜子将能够大大减少缺陷的可能性，并增加激光的寿命。于是他们用金刚石这种地球上几乎最坚固的材料，建造了一面强大得足以承受高功率连续波激光的镜子。

通过在金刚石薄片表面蚀刻出纳米结构，研究小组成功打造出这种特殊的高反射镜，它是由具有不同光学特性的薄层材料形成的。之后，美国海军用10千瓦的激光对其进行实验，并发现这种反射镜可以承受来自高功率、连续激光的热量，而不会被破坏。

SEAS电气工程教授、该论文的资深作者Marko Loncar指出：“我们的单材料反射镜方法，消除了传统反射镜在大光功率照射下由多材料叠加形成的热应力问题。这种方法将有望改善或创造高功率激光的新应用。”

Marko Loncar的纳米光学实验室最初开发了在金刚石中雕刻纳米级结构的技术，不过当时这种尖端蚀刻技术是应用于量子光学和通信方面。后来他们转念一想，觉得把这用在其他更经典的场景（像反射镜）当中不是也很好吗？

说干就干，研究人员开始了用激光离子束蚀刻钻石的探索与操作。他们在3毫米×3毫米的金刚石薄片表面雕刻了一系列高尔夫球座形状的柱。高尔夫球座的形状上宽下窄，使钻石表面能够达到98.9%的反光率。

“你可以制造出99.999%反光的反射器，但它们有10-20层，这对于低功率激光来说没问题，但却肯定无法承受高功率。”SEAS的研究科学家、该论文的合著者尼尔·辛克莱(Neil Sinclair)称。

左：放大的扫描电镜镜像，右：金刚石反射镜的SEM图像（图片来源：Loncar Lab/Harvard SEAS）

为了用高功率激光测试这种镜子，研究小组从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）的合作者那里获得了帮助。

实验在一个专门设计的房间里进行。为了防止危险水平的激光渗漏、致盲或灼伤邻近房间的人，研究人员把镜子放在一个10千瓦的激光器前，而激光的强度足以穿透钢铁。

他们将10千瓦的激光束聚焦到一个750微米的非常小的点上，从而产生了巨大的能量。然而，在这股巨大能量聚焦的点上，反射镜却没有被烧毁。对于不少应用场景而言，能够做到这一点其实非常重要，因为随着激光系统变得越来越耗电，不少采用者都希望能够用一些创造性的方法使光学元件更耐用。

这种方法有望改善或创造高功率激光器的新应用。哈佛大学技术开发局(OTD)已经对与该项目相关的知识产权进行了保护，并努力探索该技术的商业化机会。在未来，研究人员预计这些镜子将用于国防应用、半导体制造、工业制造和深空通信。

这项研究是在哈佛大学纳米系统中心(CNS)进行的，该中心是国家纳米技术协调基础设施网络(NNCI)的成员，由国家科学基金会提供支持。相关研究成果发表在《自然·通讯》（Nature Communications）杂志上。