Фізика
Технології
Фізика
Технології

Витравлені на алмазі наноструктури підвищили його стійкість перед лазером

Американські матеріалознавці запропонували новий підхід для захисту дзеркал у роботі з лазерами. Витравлені одразу на поверхні монолітного алмаза наноструктури забезпечили їй захист від теплового навантаження від випромінювання та при цьому високу відбивну здатність. Поверхня протрималася під дією безперервного лазерного випромінювання потужністю у 10 кіловатів 30 секунд, відбиваючи 96 відсотків при довжині хвилі випромінювання у 1 070 нанометрів. Вчені розраховують, що це допоможе здешевити лазерні технології та поширити їх на більшу кількість галузей. Робота опублікована у Nature Communications.

Depositphotos

Depositphotos

Як працюють з лазерами?

Надпотужні лазери безперервної дії широко використовуються у промисловості, військових та медичних цілях, у зондуванні, у видобутку корисних копалин та у атомній, молекулярній та оптичній фізиці. Втім, для всіх цих застосувань лазерів, їм потрібні оптичні компоненти, а зокрема — дзеркала. Їм потрібно витримувати безперервне випромінювання на високих потужностях, щоб ефективно відбивати лазерний промінь у потрібну мішень. Зазвичай такі дзеркала виготовляють, нашаровуючи діелектричні матеріали, підбираючи їх так, щоб вони мали достатній коефіцієнт відбиття світла на потрібних довжинах хвиль, або використовувати спеціальні покриття.

Втім, недосконалості та дефекти в тонких плівках або простір між ними утворюють місця, де може поглинатися лазерна енергія. І при використанні потужного безперервного лазерного випромінювання, поглинання в цих місцях призводить до значного виділення тепла, провокуючи плавлення або термічну напругу між шарами плівки.Таке теплове навантаження погіршує оптичні характеристики та призводить до необоротного пошкодження дзеркала. І у своїй роботі матеріалознавці з Лабораторії нанорозмірної оптики Лонкара Гарвардського університету (Loncar’s Laboratory for Nanoscale Optics) запропонували новий підхід, який допоможе оптиці витримувати екстремальні умови.

З чого зробили дзеркало?

Алмаз зазвичай потрапляє у поле зору вчених через його виняткові властивості: відносно високий показник заломлення, широка заборонена зона (5,5 електронвольта), висока механічна твердість та хімічна стійкість, а також один з найвищих коефіцієнтів теплопровідності за кімнатної температури (2 200 ватів на кельвін на метр). З огляду на це, оптичні елементи з алмазів зможуть працювати у великому діапазоні умов.

Крім алмазів, у процесі створення дзеркала, що витримує лазерне випромінювання високої потужності безперервної дії, матеріалознавці звернулися до ідеї фотонних кристалів, які останнім часом стали перспективною технологією у тому числі для налаштування властивостей оптичних променів. Зазвичай це штучні певним чином впорядковані матеріали, які складаються з двовимірних масивів отворів або стрижнів у тонкому шарі. В оптиці зокрема це дасть змогу спроєктувати просторовий розподіл амплітуди, фази та поляризаційного відгуку оптичного елемента на випромінювання.

Однак лінзи та дзеркала з таких метаматеріалів так само виготовляються шляхом нанесення наноструктури на діелектричну (або металеву) плівку з високим показником заломлення, яку потім нанесуть на матеріал з низьким показником заломлення, щоб використовувати контраст заломлення, необхідний для підтримки оптичних резонансів. І тоді вони приносять ті ж проблеми, що й традиційні дзеркала для роботи з лазерами із багатошарових матеріалів. Але в цій роботі автори вирішили уникнути цього і нанесли наноструктури відразу на обрану підкладку — власне алмаз.

Що потрібно зробити з алмазом?

Як повідомляють дослідники, спочатку вони не мали наміру випробовувати алмази в роботі з 10-кіловатним лазером ВМФ США. Вони розробляли метод травлення нанорозмірних структур в алмазах для застосування їх у квантовій оптиці та зв'язку. Їхня ідея полягає в тому, щоб створити на великій площі поверхні мінералу складні тривимірні структури за допомогою травлення іонним променем. Зразок алмазу очищають окропом сірчаної, азотної та хлорної кислот, наносять шар ніобію, а потім витравлюють цю плівку за допомогою іонного променя. Ключовою характеристикою методу є однорідність на великій площі, потенційно обмеженій лише розміром джерела іонного пучка, що використовується.

Утворена на поверхні лазера наноструктура. Loncar Lab / Harvard SEAS

Утворена на поверхні лазера наноструктура. Loncar Lab / Harvard SEAS

У результаті на алмазному зразку три на три міліметри матеріалознавці отримали ґратку зі стовпців, які формою можна порівняти з цвяхами (хоча самі вчені порівнюють їх з підставками м'ячів для гольфу — «golf tee»). Кожен стовпець складається з трьох окремих областей ефективного показника заломлення, що дасть змогу отримати майже ідеальне відбиття. Змінюючи геометрію кожного стовпця у решітці, можна керувати властивостями дзеркала. У своїй роботі науковці орієнтувалися на довжину хвилі лазера у 1 064 та 1 070 нанометрів.

А щоб переконатися в ефективності свого дзеркала, його вирішили випробувати у Лабораторії прикладних досліджень Пенсільванського державного університету, де знаходиться філіал лазерних технологій і аналізу Центру військово-морського флоту США з потрібним для експериментів лазером.

Так виглядає звичайне алмазне дзеркало без модифікації. Loncar Lab/Harvard SEAS

Так виглядає звичайне алмазне дзеркало без модифікації. Loncar Lab/Harvard SEAS

Як справилося дзеркало?

Свої експерименти із дзеркалом вчені провели за температури у 18 градусів Цельсію, де протягом 30 секунд дзеркало опромінювали лазером. Випромінювання сфокусували на точці діаметром у 750 мікрометрів. Нанесений на поверхню алмаза фотонний кристал із завужених донизу стовпчиків наділив його відбивальною здатністю у 98,9 відсотка на довжині хвилі у 1 064 нанометри та 96 відсотків при довжині у 1 070 нанометрів.

Графічне зображення «гвіздків» на поверхні алмаза (a, c) порівняно із традиційним багатошаровим покриттям (b). На рисунку d відмічений спектр відбиття  від алмазного дзеркала для різних кутів. Кольори вказують на відбивальну здатність. Haig A. Atikian et al. / Nature Communications, 2022

Графічне зображення «гвіздків» на поверхні алмаза (a, c) порівняно із традиційним багатошаровим покриттям (b). На рисунку d відмічений спектр відбиття від алмазного дзеркала для різних кутів. Кольори вказують на відбивальну здатність. Haig A. Atikian et al. / Nature Communications, 2022

Це можливо завдяки тому, що кожен стовпчик складається з трьох окремих областей з різними показниками заломлення, що по суті, імітує багатошарові традиційні дзеркала для роботи з лазерами. На рисунку вище вони позначені як n1, n2 і n3, де n2 діє як шар із найвищим показником заломлення, завдяки тому, що тут поверхня складається з розширених частин цих «гвіздків» фотонного кристала. А n3, де вони звужуються, навпаки, є шаром із найнижчим показником заломлення. При цьому n1 – це повітря, яке також відіграє свою роль. У підсумку фотонний кристал являє собою «сендвіч», де лазерний промінь проходить з середовища з меншим показником заломлення (n1) у середовище з більшим (n2), заломлюється, і знову потрапляє в оптично менш щільне середовище (n3).

Середовище n2 виконує роль хвилевода у такому випадку і тому, при правильній конструкції стовпців, куті падіння променя і довжині хвилі випромінювання, промені, що проходять, перерозподіляються вбік на сусідні стовпчики та конструктивно інтерферують, що і дає ідеальне відбиття.

Автори роботи підкреслюють, що їхня технологія не обмежується одним алмазом і відбивачі можна виготовити та модифікувати таким чином інші матеріали. Наприклад, кварц з набагато більшою шириною забороненої зони, що стане в пригоді для роботи з надшвидкими лазерами.

Лазери дійсно займають все більше сфер нашого життя. Так, наприклад, нещодавно вдалося обійти температурні обмеження для використання терагерцових лазерів та використати їх за межами лабораторії. А більш звичний лазер на довжині хвилі у 670 нанометрів змогли використати, щоб роздивитися кімнату крізь замкову щілину.


Фото в анонсі: Depositphotos