높은 곳을 위한 다이아몬드 거울

Nature Communications 13권, 기사 번호: 2610(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

고출력 CW(연속파) 레이저는 산업, 의학, 통신, 국방 등 다양한 분야에서 사용됩니다. 그러나 다층 코팅을 기반으로 하는 기존 광학 장치는 주로 열 부하로 인해 고출력 CW 레이저 광으로 조명될 때 손상됩니다. 이는 효율성을 저해하고 범위와 유용성을 제한하며 고출력 CW 레이저 응용 분야의 비용과 복잡성을 높입니다. 여기에서는 고출력 CW 레이저 조사 하에서 손상 없이 작동하는 모놀리식 반사율이 높은 거울을 시연합니다. 기존 거울과 달리 우리 거울은 뛰어난 광학적, 열적 특성을 지닌 소재인 단결정 다이아몬드의 표면에 나노구조를 식각하여 구현됩니다. 우리는 98% 이상의 반사율을 측정하고 직경 750μm의 지점에 초점을 맞춘 1070nm에서 10kW의 CW 레이저 광을 사용하여 손상 없는 작동을 보여줍니다. 대조적으로, 동일한 빔에 의해 조명될 때 기존 유전체 거울의 손상이 관찰됩니다. 우리의 결과는 극한 조건에서 작동하는 새로운 광학 범주를 시작하며, 이는 고출력 레이저의 새로운 응용 분야를 개선하거나 창출할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

고출력 CW 레이저는 건설 및 제조 분야의 절단, 용접 및 청소1,2,3,4,5, 군사 분야의 지향성 에너지2,6,7, 의료 수술2,8,9,10,11, 통신12, 13,14 및 감지15,16, 점화17,18, 광업19,20,21, 원자-분자-광 물리학 및 분광학2,22,23,24,25 등이 있습니다. 이러한 응용 분야에는 레이저에서 대상으로 빛을 전달하기 위해 높은 CW 또는 준 CW 광 출력을 견딜 수 있는 광학 부품, 특히 미러가 필요합니다. 기존의 유전체 거울은 다층 코팅26 또는 나노구조 박막27을 사용하여 반사 스펙트럼을 설계합니다. 전자는 원하는 파장과 편광에서 간섭 효과를 생성하기 위해 다양한 굴절률과 두께의 교대 박막층을 활용하는 반면, 후자는 국부적 또는 유도 공진을 활용하여 높은 반사율을 달성합니다. 그러나 박막 사이의 결함이나 결함은 레이저 에너지가 흡수될 수 있는 부위를 형성합니다. 고출력 CW 레이저 광을 사용하면 이러한 부위의 흡수로 인해 상당한 열이 발생하여 필름 층 사이에 용융 또는 열 응력이 발생합니다. 이러한 열 부하는 광학 성능을 저하시키고 미러에 돌이킬 수 없는 손상을 입힙니다. 우리는 단결정 다이아몬드의 광학 반응을 표면 엔지니어링하여 고출력 CW 레이저용 고반사 거울로 입증함으로써 다층, 다중 재료, 광학 코팅의 이러한 한계를 극복했습니다. 다이아몬드는 상대적으로 높은 굴절률(2.4), 넓은 밴드갭(5.5eV), 높은 기계적 경도 및 내화학성, 실온에서 가장 높은 재료 열전도도(2200W/K⋅m)32 등 탁월한 특성으로 인해 활용됩니다. 33,34. 결과적으로, 다이아몬드 재료, 특히 광학은 다양한 응용 분야와 작동 환경에서 사용될 수 있습니다. 예를 들어 Refs를 참조하세요. 35,36,37,38,39 및 그에 따른 참고문헌. 광결정과 메타물질은 광빔의 특성을 조정하기 위한 유망한 기술로 등장했습니다. 이는 일반적으로 광학 요소의 진폭, 위상 및 편광 응답의 공간 분포를 엔지니어링할 수 있는 박막 층의 구멍 또는 막대의 2차원 배열로 구성됩니다. 거울, 렌즈 및 편광 광학과 같은 많은 광학 구성 요소가 이 접근 방식을 사용하여 실현되었습니다. 일반적으로 평면 광결정과 메타물질은 광학 공명을 지원하는 데 필요한 굴절률 대비를 활용하기 위해 저굴절률 기판에 증착된 고굴절률 유전체(또는 금속) 필름을 나노패터닝하여 형성됩니다. 그러나 이들 필름은 기존의 다층 박막과 동일한 전력 처리 제한을 겪고 있습니다. 우리는 전략적으로 뛰어난 특성을 지닌 모놀리식 기판에서 나노구조 거울을 만들어 고출력 CW 레이저 광을 견딜 수 있는 거울을 만들어 이를 방지합니다.