Les diamants peuvent résister à la chaleur des lasers à faisceau continu de haute puissance


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  • Pratiquement toutes les voitures, tous les trains et tous les avions construits depuis 1970 ont été fabriqués à l’aide de lasers haute puissance qui émettent un faisceau lumineux continu. Ces lasers sont suffisamment puissants pour couper l’acier, suffisamment précis pour effectuer une intervention chirurgicale et suffisamment puissants pour transmettre des messages dans l’espace lointain. Ils sont si puissants, en fait, qu’il est difficile de concevoir des composants résistants et durables capables de contrôler les puissants faisceaux émis par les lasers.

    Aujourd’hui, la plupart des miroirs utilisés pour diriger le faisceau dans les lasers à onde continue (CW) à haute puissance sont fabriqués en superposant de fines couches de matériaux aux propriétés optiques différentes. Mais s’il y a ne serait-ce qu’un seul petit défaut dans l’une des couches, le puissant faisceau laser brûlera, provoquant la défaillance de l’ensemble de l’appareil.

    Si vous pouviez fabriquer un miroir à partir d’un seul matériau, cela réduirait considérablement le risque de défauts et augmenterait la durée de vie du laser. Mais quel matériau serait assez solide ?

    Aujourd’hui, des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont construit un miroir à partir de l’un des matériaux les plus solides de la planète : le diamant. En gravant des nanostructures sur la surface d’une fine feuille de diamant, l’équipe de recherche a construit un miroir hautement réfléchissant qui a résisté, sans dommage, aux expériences avec un laser Navy de 10 kilowatts.

    « Notre approche de miroir à un seul matériau élimine les problèmes de contrainte thermique qui nuisent aux miroirs conventionnels, formés par des empilements multi-matériaux, lorsqu’ils sont irradiés avec de grandes puissances optiques », a déclaré Marko Loncar, professeur Tiantsai Lin de génie électrique à SEAS et auteur principal de l’article. « Cette approche a le potentiel d’améliorer ou de créer de nouvelles applications de lasers haute puissance. »

    La recherche est publiée dans Communication Nature.

    Le laboratoire de Loncar pour l’optique à l’échelle nanométrique a initialement développé la technique pour graver des structures à l’échelle nanométrique dans des diamants pour des applications dans l’optique quantique et les communications.

    « Nous avons pensé, pourquoi ne pas utiliser ce que nous avons développé pour des applications quantiques et l’utiliser pour quelque chose de plus classique », a déclaré Haig Atikian, ancien étudiant diplômé et boursier postdoctoral à SEAS et premier auteur de l’article.

    En utilisant cette technique, qui utilise un faisceau d’ions pour graver le diamant, les chercheurs ont sculpté un réseau de colonnes en forme de tee de golf à la surface d’une feuille de diamant de 3 millimètres sur 3 millimètres. La forme des tees de golf, large en haut et fine en bas, rend la surface du diamant réfléchissante à 98,9 %.

    « Vous pouvez fabriquer des réflecteurs réfléchissants à 99,999 %, mais ceux-ci ont 10 à 20 couches, ce qui est bien pour un laser à faible puissance, mais ne serait certainement pas capable de résister à des puissances élevées », a déclaré Neil Sinclair, chercheur scientifique chez SEAS et co- auteur du papier.

    Pour tester le miroir avec un laser haute puissance, l’équipe s’est tournée vers des collaborateurs du laboratoire de recherche appliquée de l’université d’État de Pennsylvanie, un centre de recherche affilié à l’université de la marine américaine désigné par le ministère de la Défense.

    Là, dans une pièce spécialement conçue qui est verrouillée pour empêcher les niveaux dangereux de lumière laser de s’infiltrer et d’aveugler ou de brûler ceux de la pièce adjacente, les chercheurs ont placé leur miroir devant un laser de 10 kilowatts, assez puissant pour brûler l’acier. .

    Le miroir est ressorti indemne.

    « Le point de vente de cette recherche est que nous avions un laser de 10 kilowatts focalisé sur un point de 750 microns sur un diamant de 3 x 3 millimètres, ce qui représente beaucoup d’énergie concentrée sur un très petit point, et nous ne l’avons pas brûlé », a déclaré Atikian. « Ceci est important car, à mesure que les systèmes laser deviennent de plus en plus gourmands en énergie, vous devez trouver des moyens créatifs de rendre les composants optiques plus robustes. »

    À l’avenir, les chercheurs envisagent que ces miroirs soient utilisés pour des applications de défense, la fabrication de semi-conducteurs, la fabrication industrielle et les communications dans l’espace lointain. L’approche pourrait également être utilisée dans des matériaux moins coûteux, tels que la silice fondue.

    Harvard OTD a protégé la propriété intellectuelle associée à ce projet et explore les opportunités de commercialisation.

    La recherche a été co-écrite par Pawel Latawiec, Xiao Xiong, Srujan Meesala, Scarlett Gauthier, Daniel Wintz, Joseph Randi, David Bernot, Sage DeFrances, Jeffrey Thomas, Michael Roman, Sean Durrant et Federico Capasso, le professeur Robert L. Wallace de Physique appliquée et chercheur principal Vinton Hayes en génie électrique à SEAS.

    Cette recherche a été réalisée en partie au Center for Nanoscale Systems (CNS), membre du National Nanotechnology Coordinated Infrastructure Network (NNCI), qui est soutenu par la National Science Foundation sous le prix NSF no. 1541959. Il a été soutenu en partie par l’Air Force Office of Scientific Research (MURI, subvention FA9550-14-1-0389), la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA, W31P4Q-15-1-0013), STC Center for Integrated Quantum Materials et NSF Grant No. DMR-1231319.

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