ダイヤモンドミラーは鋼鉄を焼き切るほど強力なレーザーに耐えます

高出力レーザーは製造から深宇宙通信まであらゆる分野に関与しており、より強力なバージョンの開発が進行中であるため、光ビームの制御を担うコンポーネントの再考が必要です。 このため、ハーバード大学のエンジニアのチームは、既知の最も強力な素材の 1 つであるダイヤモンドに注目し、鋼鉄を焼き切るのに十分な強度のレーザー光線に耐えることができる新しいミラーを形成するために使用しました。

この丈夫な新しいミラーは、今日の高出力連続波レーザー システムのいくつかの欠点に対応して開発されました。 これらのレーザーでビームを方向付けるために使用されるミラーは、さまざまな光学特性を持つ材料の薄層で形成されています。 これらの層の 1 つに小さな欠陥がある場合でも、レーザーはミラーで反射するのではなく、ミラーを焼き尽くしてしまい、操作全体が元に戻ります。

より簡単なアプローチは、欠陥の可能性を制限するためにミラー全体に単一の素材を使用することかもしれませんが、見つけられる中で最も丈夫な素材の 1 つを手に入れてそれを機能させるほど単純ではありません。 新しいダイヤモンドミラーを形成するために、研究チームは、もともと量子光学や通信で使用するためにダイヤモンドにナノスケール構造を彫刻するために開発された最先端のエッチング技術を活用する必要がありました。

「私たちは、量子アプリケーション用に開発したものを、より古典的なものに使用してはどうかと考えました」と論文の筆頭著者であるヘイグ・アティキアン氏は語った。

これには、イオン ビームを使用して、わずか 3 x 3 mm (0.1 x 0.1 インチ) の薄いダイヤモンド シートの表面に微細なゴルフティー形状の構造をエッチングすることが含まれていました。 これらの構造がダイヤモンド ミラーに反射特性を与えており、科学者らはその耐久性を維持するのに役立つスイート スポットとして 98.9 パーセントの反射率に到達しました。

「99.999パーセントの反射率を持つ反射板を作ることはできるが、それらは10～20層あり、低出力のレーザーには問題ないが、高出力には確実に耐えられないだろう」と論文の共著者であるニール・シンクレア氏は述べた。

科学者らは、新しいミラーを米海軍の研究に使用されている10kWのレーザーの前に置いてテストを行ったところ、このレーザーは鋼鉄を焼き切るのに十分な強度があることがわかった。 鏡は全く無傷で届きました。

「この研究のセールスポイントは、10キロワットのレーザーを3×3ミリメートルのダイヤモンド上の750ミクロンのスポットに集中させたことです。これは非常に小さなスポットに大量のエネルギーが集中していることになります。私たちはそれを燃やしませんでした」とアティキアン氏は語った。 「これは重要です。なぜなら、レーザーシステムはますます電力を消費するようになるため、光学コンポーネントをより堅牢にする創造的な方法を考え出す必要があるからです。」

科学者らはこの技術の商業化を模索しており、新しいダイヤモンドミラーが半導体製造や防衛から深宇宙通信や工業製造に至るまでの分野の進歩に使用されることを想像している。

「当社の単一材料ミラーアプローチは、複数の材料のスタックで形成された従来のミラーが大きな光出力で照射されたときに有害となる熱応力の問題を排除します」と論文の上級著者であるマルコ・ロンカー氏は述べています。 「このアプローチには、高出力レーザーの新しい用途を改善または創出する可能性があります。」

この研究はNature Communications誌に掲載された。

出典: ハーバード大学