Лучшие друзья лазеров

Мощные непрерывные лазеры стали рутиной современной промышленности. В нашем веке почти каждый автомобиль, поезд или самолет изготавливают с их помощью. Лазеры сегодня режут сталь, делают хирургические операции и передают сообщения в дальний космос. Идет гонка лазерных энергий. Уже сейчас лазеры настолько мощны, что стоит задача разработать и внедрить надежные и долгоживущие приборы для контроля и распределения энергии их излучения. Один из самых простых — это зеркало.

Сегодня большинство лазерных зеркал, служащих для отражения и перенаправления излучения мощных непрерывных лазеров, включая военные, представляют собой многослойные диэлектрические покрытия из пленок с разными показателями преломления. Обычно материалами для них служат фторид магния, диоксид кремния, сульфид цинка, диоксид титана и др. Отражение от слоеных зеркал происходит благодаря интерференционным эффектам, возникающим в этом сэндвиче с толщинами, подобранными в соответствии с длиной волны падающего излучения.

Однако даже небольшой дефект любого слоя способен вывести зеркало из строя — на месте дефекта образуется прожиг. Зеркало без слоев, то есть из одного материала, было бы меньше подвержено деградации. Причина в том, что в однородной среде не возникает внутренних напряжений, поскольку нет несоответствия коэффициентов термического расширения слоев.

Недавно исследователи факультета искусств и наук Гарвардского университета под началом профессора электрической инженерии Марко Лонкара (Marko Loncar) построили зеркало из алмаза, одного из самых твердых земных кристаллов. Для этого они нанесли наноструктуры специфической формы на поверхность его тонкой пластины.

Так команда изготовила зеркало, способное долго и без разрушения выдерживать многократное облучение непрерывного инфракрасного лазера. Это был армейский излучатель с длиной волны 1,07 микрон и мощностью 10 киловатт, способный прожигать сталь. На зеркале его луч сфокусировали в пятно диаметром 750 микрон. Многослойное зеркало в этих же условиях быстро разрушалось.

Лаборатория нанооптики, которой руководит профессор, разрабатывала технику модификации поверхности алмаза для применений в системах квантовой оптики и лазерной связи. На квадратной алмазной подложке со стороной 3 мм физики ионным пучком с интервалом в несколько микрон вытравили регулярные фигурные колонны. Такое зеркало отражает 98,9% падающего на него излучения. Для сравнения: зеркало с 10–20 слоями позволяет получить 99,999%. Алмазные зеркала с наногравировкой, которые дешевле многослойных, позволят расширить применение мощных лазеров. Ученые заявляют, что по этой же технологии можно изготавливать еще более дешевые зеркала, например, из плавленого кварца. (Nature Communications, 13,1,2022)