高品質のダイヤモンドミラー | 河北レーザーマーキング株式会社

Nature Communications volume 13、記事番号: 2610 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

高出力連続波 (CW) レーザーは、産業、医療、通信、防衛などのさまざまな分野で使用されています。しかし、多層コーティングをベースとする従来の光学系は、高出力のCWレーザー光で照射されると、主に熱負荷により損傷を受けます。これにより、有効性が妨げられ、範囲と実用性が制限され、高出力 CW レーザーアプリケーションのコストと複雑さが増加します。ここでは、高出力のCWレーザー照射下でも損傷することなく動作するモノリシックの高反射ミラーを実証します。従来のミラーとは対照的に、当社のミラーは、優れた光学的および熱的特性を持つ材料である単結晶ダイヤモンドの表面にナノ構造をエッチングすることによって実現されます。当社では、直径 750 μm のスポットに集束した 1070 nm の CW レーザー光 10 kW を使用して、98% を超える反射率を測定し、損傷のない動作を実証しています。対照的に、同じビームで照射された場合の従来の誘電体ミラーの損傷が観察されます。私たちの研究結果は、極限条件下で動作する光学系の新しいカテゴリーを切り開き、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を秘めています。

高出力 CW レーザーは、建設および製造における切断、溶接、洗浄に使用されます 1,2,3,4,5、軍事用途での指向性エネルギー 2,6,7、医療外科 2,8,9,10,11、通信 12、とりわけ、原子分子光学物理学および分光学2、22、23、24、25と同様に、13、14、センシング15、16、点火17、18、採掘19、20、21。これらの用途では、レーザーからターゲットに光を導くための高い CW または準 CW 光パワーに耐える光学コンポーネント、特にミラーが必要です。従来の誘電体ミラーは、多層コーティング 26 またはナノ構造の薄膜 27 を使用して反射スペクトルを設計します。前者は、屈折率と厚さが異なる薄膜層を交互に利用して、所望の波長と偏光で干渉効果を生成します。一方、後者は、局所共振または誘導共振を利用して高い反射率を実現します。しかし、薄膜の不完全性や欠陥、または薄膜間の界面は、レーザーエネルギーが吸収される可能性のある部位を形成します28、29、30、31。高出力のCWレーザー光を使用すると、これらの部位での吸収により大量の熱が発生し、フィルム層間に溶解または熱応力が発生します。この熱負荷により光学性能が低下し、ミラーに不可逆的な損傷が生じます。私たちは、単結晶ダイヤモンドの光学応答を表面工学的に処理し、高出力 CW レーザー用の高反射ミラーとして実証することで、多層、多材料、光学コーティングのこの限界を克服しました。ダイヤモンドは、比較的高い屈折率 (2.4)、広いバンドギャップ (5.5 eV)、高い機械的硬度と耐薬品性、室温での最高の材料熱伝導率 (2200 W/K・m)32 などの優れた特性により利用されています。 33、34。その結果、ダイヤモンド材料、特に光学部品は、さまざまな用途および動作環境で使用することができる。例えば、参考文献を参照。３５、３６、３７、３８、３９およびその中の参考文献。フォトニック結晶とメタマテリアルは、光ビームの特性を調整するための有望な技術として浮上しています40、41、42、43、44。これらは通常、薄膜層内の穴またはロッドの 2 次元アレイで構成され、光学素子の振幅、位相、および偏光応答の空間分布を操作できます 45、46、47、48。ミラー、レンズ、偏光光学系など、多くの光学コンポーネントがこのアプローチを使用して実現されています49、50、51、52、53、54。従来、平面フォトニック結晶とメタマテリアルは、光共振をサポートするために必要な屈折率コントラストを活用するために、低屈折率基板上に堆積された高屈折率誘電体（または金属）膜をナノパターニングすることによって形成されます55、56。しかし、これらは従来の多層薄膜と同様の電力処理制限に悩まされています。私たちは、戦略的に優れた特性を備えたモノリシック基板からナノ構造ミラーを作成し、高出力のCWレーザー光に耐えるミラーを作成することでこれを回避します。

図1aに示すように、ミラーは、ダイヤモンド表面にエッチングされた同一の「ゴルフティー」型の柱の平面格子によって形成されます。比較のために、図 1b は基板上の従来の多層光学コーティングを示しています。格子内の各列の形状を設計することによって、ミラーの特性を制御することが可能です。図１ｃを参照すると、これには、上部領域の角度α、半径ｒｄｉｓｃ、ｒｍｉｎ、ｒｓｕｐｐｏｒｔ、柱高さｈ、およびピッチ、すなわち柱間の中心間距離を変えることが含まれる。この構造の高い反射率は、横方向漏洩ブロッホモードによって支配される格子共鳴に起因すると考えられます57。これらの誘導共振は、図1eに見られるように、各コラムの上部領域に限定されており、モード閉じ込めを容易にするコラムの最も狭い部分によってサポートされていません。反射を実現するには、周期配列のパラメータがよく知られた格子方程式 \(d\left({{\sin }}{\theta }_{i}-{{\sin }}{\theta }_{ m}\right)\,={{{{{\rm{m}}}}}\lambda\)、ここで、d は格子周期またはピッチ、m は回折次数、角度を表す整数です。入射ビームと第 m 回折次数は θi と θm であり、λ は入射ビームの波長です58。 1 次の回折次数は、柱の上部によってサポートされる共鳴に結合され、反射方向と透過方向の両方で格子の 0 次に出力結合されます。コラム、入射角、光の波長を適切に設計すると、図1eのミラー上の均一な位相面で示されるように、透過ビームは破壊的に干渉し、完全な反射が生じます。

「ゴルフティー」の形をした柱が六角形の格子に配置されたダイヤモンドミラーのグラフィカルな描写。 b 基板上に堆積された典型的な多層光学コーティング。 c ダイヤモンドミラーを構成する「ゴルフティー」柱の概略図。すべての関連寸法にラベルが付けられています: 角度 α、半径 rdisc、rmin、rsupport、および全高 h。 n1 とラベル付けされた影付きの黄色の領域は屈折率が最も低く (空気)、赤色の領域 n2 には光共鳴を特徴とする柱の上部が含まれており、屈折率が最も高く、黄色の領域 n3 は屈折率が低く、柱の上部。 d rdisc = 250 nm、rmin = 50 nm、rsupport = 250 nm、ピッチ 1.1 μm、および h = 3 μm の、さまざまな設計角度 α に対する法線入射でのダイヤモンドミラー反射スペクトル。色は反射率を示します。 e 波長 1064 nm でのダイヤモンドミラーからの反射波面を示す定在波パターン。格子共鳴により、モードは柱の上部に閉じ込められます。色は電界の振幅を示します。パネル (a) および (b) の写真提供者: P. Latawiec、ハーバード大学。

直観的には、横モード導波は次のように理解できます。各列は、図 1c で n1、n2、および n3 とラベル付けされた 3 つの異なる有効屈折率領域で構成されます。 n2 というラベルが付いた赤い影の領域には、列の上部領域が含まれます。これは、他の領域よりも体積当たりのダイヤモンドが多く含まれており、デバイス内の漏洩ブロッホモード共振をサポートするためのガイド層として機能するため、高屈折率層として効果的に機能します。 n3 とラベル付けされた黄色の影付き領域には、カラムの狭い部分が含まれているため、低屈折率層 (n3 < n2) として機能し、ガイド層 n2 に光閉じ込めを提供します。 n1 とラベル付けされた上の黄色の影付き領域は空気であり、導波光共振をサポートする各領域の実効屈折率 n2 > n1、n3 という条件を提供します 59,60。

有限差分時間領域 (FDTD) ソルバーを使用したシミュレーションは、法線入射で最大の反射が得られるように構造を最適化するために実行されます。図 1d は、設計角度 α を変化させた場合のシミュレートされたダイヤモンドのミラー反射スペクトルを示しています。私たちは、高出力レーザーに技術的に関連する1064 nmと1070 nmの動作波長をターゲットにしていますが、カラムの寸法は、ターゲット波長付近で最も広い高反射率の帯域幅が得られるように選択されています（図1dを参照）。 FDTD シミュレーションと他の関連する次元の反射スペクトルの詳細については、補足説明 1 で説明されています。

これらの複雑な 3D 構造を広範囲にわたって実現するために、図 2 に示し、そのキャプションで説明されているように、単結晶化学蒸着ダイヤモンドに対して、型破りでありながらスケーラブルな角度付きエッチングナノ加工技術を使用します。簡潔には、酸素ベースの反応性イオンビーム傾斜エッチング (RIBAE)61 を利用します。完全な製造の詳細については、「方法」で説明します。

反応性イオンビーム角度エッチング (RIBAE) 製造プロセスの概略図。 (i) ダイヤモンドサンプル表面にエッチングマスクをパターン化します。 (ii) 回転サンプルステージ上のイオンビーム経路に対して垂直にサンプルを取り付けたトップダウンエッチング。 (iii) イオンビームの方向に対してターゲット角度 α を得るために、エッチング中にサンプルを傾けて、エッチングマスクの下を均一にエッチングします。 (iv) マスクを除去すると、ダイヤモンドの表面にエッチングされた 3-D ナノ構造のアレイが得られます。 b 4.2 mm × 4.2 mm ダイヤモンド結晶上のダイヤモンドミラーの光学画像。定規の各目盛りは1mmです。写真提供者: HA Atikian、ハーバード大学。 c 通常から 60° で撮影したダイヤモンドミラーの SEM 画像。 d 通常から 40° で撮影したミラーの拡大 SEM 画像。

作製したミラーの光学像を図2bに示します。ミラーの走査電子顕微鏡 (SEM) 画像を図 2c に示し、拡大画像を図 2d に示します。どちらの画像も、均一な間隔で配列された「ゴルフティー」の形をした柱を示しています。ダイヤモンドミラーの面積は 3 mm × 3 mm で、ミラーの一方の端からもう一方の端までデバイスの形状がほぼ同一です。 RIBAE 技術により、広い表面にわたってナノメートルスケールの形状を正確かつ均一に製造できるようになります。

The reflection spectrum of a diamond mirror is measured using a procedure outlined in the Methods. The result is shown in Fig. 3a, showing excellent agreement with the predictions of the FDTD simulations for α = 70° and the rest of our target design parameters, see the caption of Fig. 1d. An absolute reflectivity of 98.9 ± 0.3% at 1064 nm is measured, with uncertainty owing to the accuracy of the optical power detector. Approximately 0.5% of the optical power is transmitted through the backside-polished diamond substrate, while the remaining 0.6% is loss, likely due to scatter rather than absorption. Measurements of high-quality factor resonators produced in diamond using RIBAE have suggested little surface absorption61,62,300 000 in diamond microdisks for optomechanics via etch optimization. APL Photonics 4(1), 016101 (2019)." href="/articles/s41467-022-30335-2#ref-CR63" id="ref-link-section-d317666987e1106">さらに、９８％を超える反射率が、１０６４ｎｍ付近の１０ｎｍ帯域幅にわたって観察され、これもシミュレーションと一致している。

a ダイヤモンドミラーの反射スペクトル。青線は測定データ、赤線はFDTDシミュレーションです。 DBR レーザーを使用して 1064 nm で測定すると、98.9 ± 0.3% の絶対反射率が得られます。挿入図は、測定されたスペクトルの最大値付近の拡大図を示しています。 b スキャニングスリットプロファイラーを使用して、ダイヤモンドミラーからの反射から得られたビームプロファイル測定。軸は、反射ビームの断面図 (黒丸) とガウスフィット (赤) を重ねて表示します。フィットにより、約 1.5 mm の 4σ ビーム幅が得られます。距離とは、スリットの初期位置に対するスリットの移動量を指します。挿入図は、主図と同じ軸 (およびその単位) を持つ反射ビームの 3 次元透視図を示しています。色は正規化された光強度を示します。

入射波長 1064 nm のガウスビームが歪んでいないことを確認するために、ダイヤモンドミラーからの反射に対してビームプロファイル測定が実行されます。詳細については、「メソッド」を参照してください。反射ビームのパワー分布の 2 次元プロットを図 3b に示します。各軸の断面プロファイルは独立したガウスフィットで重ねられています。これらの測定値は、図 3b の挿入図に示されているように、反射ビームの 3D パワー分布を決定するために使用され、ビームの歪みがないことをさらに示しています。 FDTDシミュレーションでは、ナノ構造ダイヤモンド表面が反射ビームに対して均一な位相面を維持していることが示されていることに注意してください。補足図6を参照してください。

次に、1070 nm で測定された反射率が 96% である 3 mm × 3 mm のミラーを設計して製造します。ミラーを 18 °C の水冷ステージに取り付け、さまざまな出力の CW レーザー光を使用して 30 秒間照射し、この波長でのレーザー誘起損傷閾値 (LIDT) を評価します。一般的な光学系はレーザー損傷を軽減するためにビームエキスパンダーを使用しますが、ここではビームを直径 750 µm (1/e2) に集束させます。これは、「ゴルフティー」格子の数百周期に相当します。このスポットサイズは、実際のレーザーシステムで使用される妥当なビーム直径を表し、この波長のガウスビームのレイリー長約 1.66 m に相当します。スポットサイズを小さくすると、出力密度を高めることができます。ただし、現実的な光学システムに存在するビームウェストとそれに関連する熱負荷を使用して LIDT テストを実行しようとします。さらに、垂直入射でテストを実行し、最大のエネルギーがミラーに向けられることを確認します。 LIDT テスト中に撮影された光学画像と熱画像は図 4a ～ e に示されており、テストミラー、セットアップ、手順の詳細はすべて図のキャプションと方法に示されています。テストの熱ビデオと光学ビデオは補足ビデオ 1 ～ 6 に示されています。画像内のホットスポットは、反射されなかったレーザー出力がミラーを透過し、その下にある水冷ステージを加熱していることを示唆しています。テスト後の光学顕微鏡とSEM画像では、表面形態に損傷や変化がないことが示されています。 LIDT試験後のダイヤモンドミラーの広角図を図4fに示します。また、ダメージテスト後のミラーの反射率を測定したところ、同様に維持されていることが分かりました。したがって、最大 10 kW の CW レーザー光を使用してダイヤモンドミラーの LIDT を決定することはできず、高出力アプリケーションに対する堅牢性が実証されています。

テスト前に撮影された、水冷ステージに取り付けられたダイヤモンドミラーの光学画像。 b – e それぞれ0.5、2.5、5、10 kWの連続波レーザー出力で照射されたダイヤモンドミラーの熱画像。カラーバーは、画像ごとに異なるスケールでセットアップの温度を示します。温度精度は±2°です。ホットスポットは、(ダイヤモンドミラー上の) ビームの位置に対応します。パワーレベルが増加すると、ダイヤモンドミラーの裏側から光パワーのごく一部が漏れてステージが加熱されます。 f ダイヤモンドミラーの広域 SEM 画像では、テスト後の損傷は見られません。スケールバーは5μmです。 g 水冷ステージに取り付けられた対応する誘電体ミラーの光学画像。 h–k それぞれ 0.5、2、6、10 kW の CW レーザー出力で照射された誘電体ミラーの熱画像。熱応力により、10 kW の電力で損傷が発生します。 l テスト後に撮影された誘電体ミラーの損傷領域の画像には、レーザービームが誘電体をアブレーションした場所に数 mm サイズの穴が見られます。パネル (a)、(g)、(l) の写真提供者: S. DeFrances、ペンシルバニア州 EOC。

結果を具体的に説明するために、反射率 99.5% の標準的な誘電体ミラーを使用して LIDT テストを繰り返しました。光学画像と熱画像を図4g〜kに示します。テスト、誘電体ミラーの特性、セットアップの詳細は図のキャプションと方法に記載されています。10 kWの電力でのテストの熱ビデオは補足ビデオに示されています。 7. 出力が増加すると、吸収、熱伝導率の低下、誘電体コーティングの膨張によりホットスポットの温度が急速に上昇し 30、10 kW の照射で損傷が発生します。これは、図4lに示すテスト後に撮影されたミラーの光学画像によって確認され、高出力CWレーザー光を照射した光学用ダイヤモンドミラーよりも性能が劣ることを示唆しています。

高出力CWレーザー光に耐える高反射モノリシックダイヤモンドミラーを実証しました。私たちの結果は、反射レーザービームの歪みが推測されなかったビームプロファイル測定と数値モデリングによって裏付けられています。損傷試験では、標準的な誘電体ミラーを使用した場合とは対照的に、ダイヤモンドミラーは 10 kW CW レーザー照射下でも動作できることが実証されました。標準的な誘電体ミラーは、これらの出力での高い熱負荷に耐えることができません。この損傷は、直径 750 μm のスポットにわたる CW ビームの高出力によるものであり、（ダイヤモンドを含む誘電体に）損傷を引き起こすモードロックレーザーからの高ピーク出力フェムト秒およびピコ秒持続パルスを使用したテストとは異なります。主に衝撃イオン化と絶縁破壊によるものです。モノリシックダイヤモンドミラーの損傷しきい値を、カスタム高出力ミラー、たとえばダイヤモンドを含むさまざまな誘電体上のイオンビームスパッタリングコーティングに依存するミラーと比較してさらにテストすることは、状態に対するミラーの全範囲を決定するのに価値があるでしょう。当該技術分野の詳細については、例えば参考文献を参照されたい。 64、65、66。将来の研究には、他の波長のCW高出力レーザー用の光学コンポーネントへのアプローチの拡張が含まれており、これはいくつかのアプリケーションに利益をもたらす可能性があります2、3、4、6、7、8。最後に、反射鏡はさまざまな材料から製造できるため、当社のミラー技術はダイヤモンドのみに限定されないことを強調します。たとえば、石英ガラスの非常に大きなバンドギャップ (約 9 eV) を活用したモノリシックミラーは、超高速レーザーアプリケーションにメリットをもたらす可能性があります。

広い面積にわたる複雑な 3 次元柱状構造を実現するために、反応性イオンビームエッチング (RIBE) プロセスを利用した、型破りでありながら新規でスケーラブルな角度付きエッチングナノ加工技術を採用しています。 RIBE はイオンビームエッチング (IBE) から派生したもので、広域イオンビーム源を使用して、ガス源からの高エネルギーイオンのビームをコリメートして方向付けることができます。 RIBE の違いは、プラズマ源が反応性ガスで構成されるのに対し、IBE は Ar、Xe、Ne などの希ガスに限定されることです。ダイヤモンドのエッチングには反応性ガスとしてO2を使用します。イオンは、通常 Mo で作られた電気的にバイアスされた一連のグリッドを使用してプラズマ源から抽出されます。プラズマ源とともにこれらのグリッドに印加される電圧によって、イオンのエネルギー、フラックス、発散が決まります。通常、イオンビームの均一性はイオンビーム源の直径全体で 95% を超える可能性があり、処理されるサンプル (ウエハや結晶など) のサイズはビームの断面によってのみ制限されます。

図 5 は、ダイヤモンドミラー 61 の作成に使用される RIBAE エッチング手順を示しています。このプロセスは、ダイヤモンド表面にエッチングマスクをパターニングすることから始まり、回転するサンプルステージ上のイオンビーム経路に対して垂直にサンプルを取り付けてトップダウンエッチングを行います（図5b(i)を参照）。所望のエッチング深さに達したら、サンプルをイオンビームの経路に対して角度αに傾け、ダイヤモンド柱を全方向に均一にアンダーカットします（図5b(ii)を参照）。次に、エッチングマスクが除去されて、図５ｂ（ｉｉｉ）に示される最終構造が現れる。

RIBAE のグラフィック描写。 b RIBAE 製造ステップ (i) 回転サンプルステージ上のイオンビーム経路に対して垂直に取り付けられたダイヤモンドサンプルのトップダウンエッチング。 (ii) サンプルとイオンビームの間に鋭角が得られるようにサンプルを傾け、エッチングマスクの下を均一にエッチングします。 (iii) マスクを除去すると、バルク基板からアンダーカットされたナノ構造が得られる。

ここで、製造プロセスのすべてのステップを詳細に説明します。ミラーは、元素 6 の IIa 型単結晶ダイヤモンドから作成され、窒素濃度が 5 ppb 未満の化学蒸着によって成長します。ダイヤモンドサンプルは、等量の硫酸、硝酸、過塩素酸の沸騰混合物中で洗浄されます61,62。エッチングマスクは次のように構成されます。まず、DC マグネトロンスパッタリングによってサンプルの表面に厚さ 70 nm の Nb 層を堆積し、続いて水素シルセスキオキサン (HSQ) レジストをスピンコーティングします。六角形のグリッド内の円のアレイは、125 keV 電子ビームリソグラフィーを実行し、25% テトラメチルアンモニウム水酸化物溶液を使用して現像することによって HSQ 内に作成されます。最後に、UNAXIS Shuttleline 誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング装置 (ICP-RIE) で次のパラメータを使用して Nb 膜のトップダウンエッチングを実行します: 400 W ICP 電力、250 W 無線周波数 (RF) 電力、40 sccm Ar流量、Cl2 流量 25 sccm、プロセス圧力 8 × 10–3 Torr。

残りの製造は、Kaufman & Robinson 14 cm RF-ICP イオンビーム源を使用する RIBAE プロセスに従います。 RIBAE パラメータは次のとおりです。ビーム電位 200 V、加速器電位 26 V、ビーム電流 85 mA、ICP 出力 ~155 W、O2 流量 37 sccm、プロセス圧力 7.5 × 10–4 Torr。非浸漬電子源中和装置は、ビームからの陽イオンを中和するために使用されます。中和器はイオン源の側面に取り付けられ、放出電流はイオン源ビーム電流の 1.25 倍に設定され、Ar ガス流量は 10 sccm です。

サンプルのトップダウン RIBE を実行して、構造の望ましい深さを達成した後、フッ化水素酸 (HF) を介して HSQ マスクを除去します。 Nb は HF と反応しないため、Nb マスクはそのまま残り、角度付きエッチングプロセスのマスクとして機能します。厚さ 70 nm の Nb マスクの理由は 2 つあります。まず、これは酸素プラズマ用の優れたエッチングマスクであり、マスクを大幅に侵食することなく目的の構造を作成するための十分な選択性を提供します。第二に、サンプルを傾けたときにレジストの高さが隣接するナノ構造に影を及ぼさないように、薄いマスクが必要です。この制限は、アンダーカット列の作成を可能にしながらも、パターンが互いにどの程度接近できるかに最終的な制限を課します (つまり、ピッチが制限されます)。

RIBAE は、所望のアンダーカットが達成され、目標のカラム寸法が実現されるまで、設計角度 α (たとえば 70°) で実行されます。続いて、85% リン酸 2 部、49% フッ化水素酸 1 部、70% 硝酸 1 部からなる緩衝化学研磨 (BCP) を使用して Nb マスクを除去します。次にサンプルを脱イオン水ですすぎ、続いてアセトンとイソプロピルアルコールで溶媒を洗浄します。この技術の主な特徴は、使用するイオンビーム源のサイズによってのみ制限される、直径 200 mm にも及ぶ可能性がある広い領域にわたる顕著な均一性です。

ダイヤモンドミラーの反射スペクトルは、図6に概要を示したセットアップを使用して測定されます。広帯域光は1065 nmスーパールミネッセンスダイオード(SLD、InPhenix IPSDD1004C)を使用して生成され、広帯域銀ミラー(Thorlabs PF10-03- P01)、レンズ(当社製AC254-300-C-ML)を通過した後、50:50のビームスプリッタ(当社製CM1-BP145B3)に送られ、ビームがダイヤモンドミラー(または参照ミラー、下記参照)に集束します。反射光はビームスプリッターによって同一のレンズに導かれ、そこでビームがコリメートされて光スペクトルアナライザー (横河電機 AQ6370) に導かれます。長い焦点距離（300 mm）のレンズを使用して、ダイヤモンドミラーでのビームの直径が 1 mm 未満になるようにします。これは、ダイヤモンド結晶上のパターン領域（3 mm × 3 mm）よりもはるかに小さいです。広帯域銀ミラー(Thorlabs PF10-03-P01)のスペクトルを基準として測定した後、ダイヤモンドミラーを測定し、そのスペクトルを基準に対して正規化して決定します。

反射スペクトルは、1065 nm SLD からの光を使用して測定されます。この光はコリメートされ、集束レンズを通過した後、広帯域銀ミラーで 50:50 ビームスプリッターに向けられます。ダイヤモンドミラーまたは参照ミラーからの反射光は、焦点ぼけレンズを通過した後、光スペクトルアナライザー (OSA) に導かれます。より正確な反射率測定のために、ダイオードと OSA の代わりに 1064 nm DBR レーザー光源と自由空間光検出器 (PD) が使用されました。ビームプロファイル測定のために、PD はスキャニングスリットプロファイラー (SSP) に置き換えられました。

1064 nmでの反射率のより正確な測定は、SLDを線幅10 MHzの1064 nm分布ブラッグ反射器(DBR)レーザ(Thorlabs DBR1064S)に置き換え、光スペクトルアナライザを自由空間光検出器(Newport 918D-)に置き換えることによって実行されます。 Newport 1936R パワーメーターに取り付けられた SL-OD3R センサー、平均化モード)。 Nd:YAG レーザーと反射率 99.8% のミラー (Thorlabs NB1-K14) を使用して参照測定を行い、1064 nm でのダイヤモンドミラーの反射率を正確に測定します。

ビームプロファイル測定は、光検出器の代わりに走査スリットビームプロファイラー（Thorlabs BP209-IR）を備えた1064 nm DBRレーザーを使用して実行されます。最小二乗法を使用して、ビームの xy ガウス断面プロファイルをフィッティング (χ² = 0.002) します。図 3b を参照してください。

ダイヤモンドおよび誘電体ミラーのレーザー誘起損傷閾値 (LIDT) テストは、ペンシルバニア州立大学応用研究所、電子光学センターで評価されます。このテストは、最大 10 kW の連続波レーザー光を提供できる IPG Photonics の 1070 nm マルチモードファイバーレーザーを使用して実行されます。ダイヤモンドミラーは、1070 nm の波長の光を反射するように設計および製造されており、Cu クランプを使用して水冷アルミニウムステージ (Aavid 416401U00000G) に固定されています。誘電体ミラー(Thorlabs BB2-EO3)も水冷アルミニウムステージに機械的に固定されています。ステージを冷却するために使用されるチラーの温度は 18 °C で、毎分約 7.5 リットルの流れです。焦点距離 500 mm のレンズは、ダイヤモンドと誘電体ミラーで直径 750 µm (1/e2) のスポットにレーザーの焦点を合わせます。ミラーの検査とデジタル画像キャプチャは、軸外光学カメラを使用して LIDT テスト中に実行されます。 Mikron M7600 熱画像カメラ (精度 ±2°、放射率 0.97 に設定) も、テスト中ミラーとアルミニウムステージの温度を監視するために使用されます。反射がレーザーに戻るのを避けるために、法線入射から 2 ～ 3° ずれて照射されます。

ダイヤモンドミラーの反射スペクトルは、前セクションで説明したスーパールミネセントダイオードと付随のセットアップを使用して事前にシミュレーションおよび測定されており、結果は図7に示されており、反射率が1070 nmで96％であることがわかります。この図には 10 kW IPG レーザーのスペクトルも (任意単位で) 示されており、LIDT テスト中に使用されたレーザーとテスト中のダイヤモンドミラーの反射スペクトルの重なりを示しています。

ダイヤモンドミラーの法線入射での反射スペクトルの測定 (青の曲線) とシミュレーション (赤の曲線) です。緑色の曲線は、損傷テスト中に使用された 10 kW IPG レーザーのスペクトルを任意の単位でプロットしたものです。

IPG レーザーからの高出力ビームの断面プロファイルは、Primes フォーカスモニターを使用して測定されます。結果はガウスフィットとともに図 8 に示されています。 Primes フォーカスモニターには、直径 20 μm のピンホールを備えた金属先端があり、電動ステージによって目的の位置に移動できます。先端はビームの領域全体を横切り、ビームプロファイルの 2D マップを収集します。

ビームプロファイルは、Primes フォーカスモニターを使用して収集されます。フォーカスモニターは金属チップの側面に直径20μmのピンホールが付いています。次に、回転チップがビームの領域全体を横切り、ビームプロファイルの 2D データを収集します。青い線は、ビームの x 軸からの生データを表します。青（赤）の線はデータ（ガウスフィット）です。

LIDT テストは、ミラーが一定のレーザー出力で 30 秒間照射されるように実行されます。レーザー出力は 0.5 kW から 10 kW に増加し、各出力レベルでテストが繰り返されます。図 4 のキャプションを参照してください。ダイヤモンドと誘電体ミラーの各 LIDT テスト中 (つまり、各出力レベルで)、温度はホットスポットは、照明が始まるとすぐに定常状態に達し、照明が止まるまでその温度を維持しました。つまり、誘電体ミラーを使用した 10 kW のテスト、つまり誘電体ミラーの損傷の開始時を除きます。定常状態の温度は、図4b～eおよびh～jの熱画像に示されています。これらの図に示されているように、誘電体テスト中にレーザー出力が増加すると、ホットスポット温度はより速く上昇しました (次の段落を参照)。しかし、誘電体ミラーの 10 kW テストのホットスポットの温度は定常状態に達せず、損傷が発生するまで照射期間中に着実に上昇し、その時点でレーザー照射が停止されました。図4kの画像は、損傷が発生した直後に撮影されたものです。

文献 29 で広く議論されているように、誘電体ミラーに一般的に使用される基板とコーティングの熱伝導率が比較的低いため、レーザー照射部位の温度が急速に上昇します。これらのコーティングの高い熱膨張係数の変化と相まって、熱応力が発生し、その後の損傷が発生しました。これに対し、単結晶ダイヤモンドミラーは熱伝導率が高く、試験を行ったところアルミ板が加熱されるだけで損傷はありませんでした。

現在の研究中に生成および分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この研究の一部は、NSF 賞第 1 号に基づいて米国科学財団によって支援されている米国ナノテクノロジー調整インフラストラクチャネットワーク (NNCI) のメンバーであるナノスケールシステムセンター (CNS) で行われました。 1541959。CNS はハーバード大学の一部です。ダイヤモンドミラーのレーザー誘起損傷閾値は、ペンシルバニア州立大学応用研究所、電子光学センターで評価されました。この研究は、空軍科学研究局 (MURI、助成金 FA9550-14-1-0389)、国防高等研究計画局 (DARPA、W31P4Q-15-1-0013)、STC 統合量子センターによって部分的に支援されました。材料と NSF 助成金番号 DMR-1231319。 NS はさらに、カナダ自然科学工学研究評議会 (NSERC) および AQT インテリジェント量子ネットワークおよびテクノロジー (INQNET) 研究プログラムからの支援に感謝します。 PL は、助成金番号 DGE1144152 に基づく国立科学財団大学院研究フェローシップの支援を受けました。著者らは、ダイヤモンドサンプルのサポートについてはElement SixのDaniel TwitchenとMatt Markham、ソフトウェア支援についてはMichael Haasに感謝します。

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ニール・シンクレア

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ジョセフ・ランディ、デヴィッド・バーノート、セージ・デフランシス、ジェフリー・トーマス

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マイケル・ローマン & ショーン・デュラント

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HA と ML がこのアイデアを思いつきました。 HA、XX、SG がシミュレーションを実行しました。 HA はミラーを製造しました。 SMはダイヤモンドの準備を手伝ってくれました。 HA と PL は実験セットアップを設計しました。 HA は光学特性評価を実行しました。 DW はビームプロファイル測定を支援しました。 HA と NS はデータを分析し、解釈しました。 JR、DB、SD、JT、MR、SD がレーザー損傷試験を支援しました。 HA と NS は、共著者全員の協力を得て原稿を書きました。 FCとMLがプロジェクトを監督した。

マルコ・ロンチャルへの通信。

HA および ML は、この研究に関連する特許出願 (米国特許番号: 10,727,072、出願日: 2016 年 5 月、付与: 2020 年 7 月) および (米国出願番号: 15/759,909、出願日: 2016 年 9 月) の発明者です。著者らは、他に競合する利益がないことを宣言します。

Nature Communications は、この研究の査読に貢献してくれた Richard Mildren と他の匿名の査読者に感謝します。査読レポートが利用可能です。

発行者注記 Springer Nature は、発行された地図および所属機関の管轄権の主張に関して中立を保っています。

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転載と許可

Atikian、HA、Sinclair、N.、Latawiec、P. 他。高出力連続波レーザー用ダイヤモンドミラー。 Nat Commun 13、2610 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41467-022-30335-2

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受信日: 2021 年 9 月 19 日

受理日: 2022 年 4 月 26 日

公開日: 2022 年 5 月 11 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-30335-2

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