Prácticamente todos los automóviles, trenes y aviones que se construyeron desde 1970 se fabricaron con láseres de alta potencia que disparan un haz de luz continuo. Estos láseres son lo suficientemente fuertes para cortar acero, lo suficientemente precisos para realizar cirugías y lo suficientemente poderosos para llevar mensajes al espacio profundo. De hecho, son tan poderosos que es difícil diseñar componentes resistentes y duraderos que puedan controlar los poderosos rayos que emiten los láseres.
Hoy en día, la mayoría de los espejos que se utilizan para dirigir el haz en los láseres de onda continua (CW) de alta potencia se fabrican superponiendo capas finas de materiales con diferentes propiedades ópticas. Pero si hay un pequeño defecto en cualquiera de las capas, el poderoso rayo láser se quemará y hará que todo el dispositivo falle.
Si pudiera hacer un espejo con un solo material, reduciría significativamente la probabilidad de defectos y aumentaría la vida útil del láser. Pero, ¿qué material sería lo suficientemente fuerte?
Ahora, investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS) han construido un espejo con uno de los materiales más fuertes del planeta: el diamante. Al grabar nanoestructuras en la superficie de una lámina delgada de diamante, el equipo de investigación construyó un espejo altamente reflectante que soportó, sin daños, los experimentos con un láser de la Marina de 10 kilovatios.
«Nuestro enfoque de espejo de un solo material elimina los problemas de estrés térmico que son perjudiciales para los espejos convencionales, formados por pilas de múltiples materiales, cuando se irradian con grandes potencias ópticas», dijo Marko Loncar, profesor de ingeniería eléctrica de Tiantsai Lin en SEAS y autor principal del artículo. «Este enfoque tiene potencial para mejorar o crear nuevas aplicaciones de láseres de alta potencia».
La investigación se publica en Comunicaciones de la naturaleza.
El Laboratorio de Óptica a Nanoescala de Loncar desarrolló originalmente la técnica para grabar estructuras a nanoescala en diamantes para aplicaciones en óptica cuántica y comunicaciones.
«Pensamos, por qué no usar lo que desarrollamos para aplicaciones cuánticas y usarlo para algo más clásico», dijo Haig Atikian, ex estudiante graduado y becario postdoctoral en SEAS y primer autor del artículo.
Usando esta técnica, que utiliza un haz de iones para grabar el diamante, los investigadores esculpieron una serie de columnas en forma de tee de golf en la superficie de una hoja de diamante de 3 milímetros por 3 milímetros. La forma de los tees de golf, ancha en la parte superior y delgada en la parte inferior, hace que la superficie del diamante sea reflectante en un 98,9 %.
«Puedes hacer reflectores que sean 99,999 % reflectantes, pero que tengan de 10 a 20 capas, lo que está bien para un láser de baja potencia, pero ciertamente no sería capaz de soportar altas potencias», dijo Neil Sinclair, científico investigador de SEAS y co-autor. autor del artículo.
Para probar el espejo con un láser de alta potencia, el equipo recurrió a colaboradores del Laboratorio de Investigación Aplicada de la Universidad Estatal de Pensilvania, un Centro de Investigación Afiliado a la Universidad de la Marina de los EE. UU. designado por el Departamento de Defensa.
Allí, en una habitación especialmente diseñada que está cerrada con llave para evitar que niveles peligrosos de luz láser se filtren y cieguen o quemen a las personas en la habitación contigua, los investigadores colocaron su espejo frente a un láser de 10 kilovatios, lo suficientemente fuerte como para atravesar el acero. .
El espejo salió ileso.
«El atractivo de esta investigación es que teníamos un láser de 10 kilovatios enfocado en un punto de 750 micrones en un diamante de 3 por 3 milímetros, que es mucha energía enfocada en un punto muy pequeño, y no lo quemamos», dijo Atikian. «Esto es importante porque a medida que los sistemas láser consumen cada vez más energía, es necesario encontrar formas creativas de hacer que los componentes ópticos sean más robustos».
En el futuro, los investigadores prevén que estos espejos se utilicen para aplicaciones de defensa, fabricación de semiconductores, fabricación industrial y comunicaciones en el espacio profundo. El enfoque también podría usarse en materiales menos costosos, como la sílice fundida.
Harvard OTD ha protegido la propiedad intelectual asociada con este proyecto y está explorando las oportunidades de comercialización.
Los coautores de la investigación fueron Pawel Latawiec, Xiao Xiong, Srujan Meesala, Scarlett Gauthier, Daniel Wintz, Joseph Randi, David Bernot, Sage DeFrances, Jeffrey Thomas, Michael Roman, Sean Durrant y Federico Capasso, el profesor Robert L. Wallace de Investigador sénior de Física Aplicada y Vinton Hayes en Ingeniería Eléctrica en SEAS.
Esta investigación se realizó en parte en el Centro de Sistemas a Nanoescala (CNS), miembro de la Red Nacional de Infraestructura Coordinada de Nanotecnología (NNCI), que cuenta con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias bajo el premio NSF no. 1541959. Fue apoyado en parte por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (MURI, subvención FA9550-14-1-0389), la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA, W31P4Q-15-1-0013), Centro STC para Integrado Quantum Materials y NSF Grant No. DMR-1231319.