Espejos de diamante para alta | Marcado Hebei láser Co., Ltd.

Nature Communications volumen 13, Número de artículo: 2610 (2022) Citar este artículo

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Los láseres de onda continua (CW) de alta potencia se utilizan en una variedad de áreas que incluyen la industria, la medicina, las comunicaciones y la defensa. Sin embargo, la óptica convencional, que se basa en revestimientos multicapa, se daña cuando se ilumina con luz láser CW de alta potencia, principalmente debido a la carga térmica. Esto dificulta la efectividad, restringe el alcance y la utilidad y aumenta el costo y la complejidad de las aplicaciones de láser CW de alta potencia. Aquí demostramos espejos monolíticos y altamente reflectantes que funcionan bajo irradiación láser CW de alta potencia sin sufrir daños. A diferencia de los espejos convencionales, los nuestros se fabrican grabando nanoestructuras en la superficie del diamante monocristalino, un material con propiedades ópticas y térmicas excepcionales. Medimos reflectividades superiores al 98 % y demostramos un funcionamiento sin daños utilizando 10 kW de luz láser CW a 1070 nm, enfocada en un punto de 750 μm de diámetro. En contraste, observamos daños en un espejo dieléctrico convencional cuando es iluminado por el mismo haz. Nuestros resultados inician una nueva categoría de óptica que opera en condiciones extremas, que tiene potencial para mejorar o crear nuevas aplicaciones de láseres de alta potencia.

Los láseres CW de alta potencia se utilizan para cortar, soldar y limpiar en la construcción y la fabricación1,2,3,4,5, energía dirigida en aplicaciones militares2,6,7, cirugía médica2,8,9,10,11, comunicaciones12, 13,14 y sensing15,16, ignición17,18, minería19,20,21, así como física atómico-molecular-óptica y espectroscopia2,22,23,24,25, entre otros. Estas aplicaciones requieren componentes ópticos, en particular espejos, que soporten altas potencias ópticas en CW o cuasi-CW para dirigir la luz desde el láser hasta el objetivo. Los espejos dieléctricos convencionales utilizan revestimientos de varias capas26 o películas delgadas nanoestructuradas27 para diseñar su espectro de reflexión. El primero utiliza capas alternas de película delgada de índice de refracción y grosor variables para generar un efecto de interferencia en una longitud de onda y polarización deseadas, mientras que el segundo aprovecha las resonancias localizadas o guiadas para lograr una alta reflectividad. Sin embargo, las imperfecciones y los defectos en, o las interfaces entre, las películas delgadas forman sitios donde la energía del láser puede ser absorbida28,29,30,31. Usando luz láser CW de alta potencia, la absorción en estos sitios genera un calor significativo, lo que provoca fusión o tensión térmica entre las capas de la película. Esta carga térmica degrada el rendimiento óptico y produce daños irreversibles en el espejo. Superamos esta limitación de los revestimientos ópticos multicapa y multimaterial mediante la ingeniería de superficie de la respuesta óptica del diamante monocristalino para demostrarlo como un espejo altamente reflectante para láseres CW de alta potencia. El diamante se utiliza debido a sus propiedades excepcionales: índice de refracción relativamente alto (2,4), ancho de banda prohibida (5,5 eV), alta dureza mecánica y resistencia química, y la conductividad térmica del material más alta a temperatura ambiente (2200 W/K⋅m)32, 33,34. En consecuencia, los materiales de diamante, en particular la óptica, se pueden utilizar en una amplia gama de aplicaciones y entornos operativos, véanse, por ejemplo, las Refs. 35,36,37,38,39 y referencias en el mismo. Los cristales y metamateriales fotónicos han surgido como una tecnología prometedora para adaptar las propiedades de los haces ópticos40,41,42,43,44. Por lo general, se componen de matrices bidimensionales de orificios o varillas en una capa de película delgada que permiten diseñar la distribución espacial de la respuesta de amplitud, fase y polarización de un elemento óptico45,46,47,48. Muchos componentes ópticos se han realizado utilizando este enfoque, como espejos, lentes y óptica de polarización49,50,51,52,53,54. Convencionalmente, los cristales fotónicos planos y los metamateriales se forman nanodiseñando una película dieléctrica (o metálica) de alto índice que se ha depositado en un sustrato de bajo índice para aprovechar el índice de contraste necesario para soportar las resonancias ópticas55,56. Sin embargo, estos adolecen de las mismas limitaciones de manejo de energía que las películas delgadas multicapa convencionales. Evitamos esto mediante la creación de espejos nanoestructurados a partir de un sustrato monolítico, estratégicamente uno con propiedades excepcionales, creando un espejo que resiste la luz láser CW de alta potencia.

Como se ilustra en la Fig. 1a, un espejo está formado por una red plana de columnas idénticas en forma de "tee de golf" que están grabadas en una superficie de diamante. A modo de comparación, la Fig. 1b muestra un revestimiento óptico multicapa tradicional sobre un sustrato. Es posible controlar las propiedades del espejo diseñando la geometría de cada columna en la red. Haciendo referencia a la figura 1c, esto implica variar el ángulo α de la región superior, los radios rdisco, rmin, rsoporte, la altura de la columna hy el paso, es decir, la distancia de centro a centro entre las columnas. La alta reflectividad de la estructura se atribuye a una resonancia reticular dominada por modos de Bloch con fugas laterales57. Estas resonancias guiadas están confinadas a la región superior de cada columna, como se ve en la Fig. 1e, y no están soportadas por la parte más estrecha de la columna, lo que facilita el confinamiento de modos. Para lograr la reflexión, los parámetros de la matriz periódica deben satisfacer la bien conocida ecuación de rejilla \(d\left({{\sin }}{\theta }_{i}-{{\sin }}{\theta }_{ m}\right)\,={{{{\rm{m}}}}}}\lambda\), donde d es el período de rejilla o tono, m es un número entero que representa el orden de difracción, los ángulos de la el haz incidente y el m-ésimo orden difractado son θi y θm, mientras que λ es la longitud de onda del haz incidente58. Los primeros órdenes de difracción se acoplan a la resonancia soportada por la parte superior de la columna, y luego se desacoplan al orden cero de la rejilla tanto en la dirección reflejada como en la transmitida. Con el diseño adecuado de las columnas, el ángulo de incidencia y la longitud de onda de la luz, los haces transmitidos interferirán destructivamente dando como resultado una reflexión perfecta, como lo indica el frente de fase uniforme sobre el espejo en la Fig. 1e.

a Representación gráfica de un espejo de diamante con las columnas en forma de "tee de golf" dispuestas en una red hexagonal. b Recubrimiento óptico multicapa típico depositado sobre un sustrato. c Esquema de las columnas del "tee de golf" que componen el espejo de diamante, con todas las dimensiones relevantes etiquetadas: ángulo α, radios rdisc, rmin, rsupport y altura total h. La región sombreada en amarillo etiquetada como n1 tiene el índice de refracción más bajo (aire), la región roja n2 contiene la parte superior de la columna que presenta resonancias ópticas y tiene el índice de refracción más alto, mientras que la región amarilla n3 tiene el índice de refracción más bajo y soporta el parte superior de la columna. d Espectro de reflexión de espejo de diamante con incidencia normal para ángulos de diseño variables α, con rdisc = 250 nm, rmin = 50 nm, rsupport = 250 nm, paso de 1,1 μm y h = 3 μm. Los colores indican reflectividad. e Patrón de onda estacionaria que ilustra el frente de onda reflejado desde un espejo de diamante a una longitud de onda de 1064 nm. El modo está confinado en la parte superior de las columnas debido a la resonancia de la red. Los colores indican la amplitud del campo eléctrico. Crédito fotográfico de los paneles (a) y (b): P. Latawiec, Harvard.

Intuitivamente, el guiado en modo lateral puede entenderse de la siguiente manera. Cada columna comprende tres regiones distintas de índice de refracción efectivo, etiquetadas como n1, n2 y n3 en la figura 1c. La región roja sombreada etiquetada como n2 contiene la región superior de la columna. Actúa de manera efectiva como la capa de alto índice, ya que contiene más diamantes por volumen que las otras regiones y sirve como capa guía para soportar las resonancias del modo Bloch con fugas en el dispositivo. La región sombreada en amarillo etiquetada como n3 contiene las partes estrechas de la columna, por lo que actúa como una capa de índice inferior (n3 < n2) y proporcionará confinamiento óptico para la capa guía n2. La región sombreada en amarillo arriba etiquetada como n1 es aire, lo que proporciona la condición de que los índices efectivos de cada región n2 > n1, n3 admitan resonancias ópticas guiadas59,60.

Se realizan simulaciones que utilizan un solucionador de dominio de tiempo de diferencia finita (FDTD) para optimizar la estructura para una reflexión máxima en incidencia normal. La figura 1d muestra un espectro de reflexión de espejo de diamante simulado para ángulos de diseño variables α. Nuestro objetivo es una longitud de onda operativa de 1064 y 1070 nm, que son tecnológicamente relevantes para los láseres de alta potencia, mientras que las dimensiones de las columnas se eligen para brindar el ancho de banda más amplio de alta reflectividad alrededor de la longitud de onda objetivo, consulte la Fig. 1d. Más detalles sobre las simulaciones FDTD y los espectros de reflexión para otras dimensiones relevantes se describen en la Discusión complementaria 1.

Para realizar estas estructuras tridimensionales complejas en un área amplia, utilizamos una técnica de nanofabricación de grabado en ángulo no convencional, pero escalable, para el diamante de deposición de vapor químico monocristalino, como se ilustra en la Fig. 2 y se describe en su título. En resumen, utilizamos grabado en ángulo con haz de iones reactivos basado en oxígeno (RIBAE)61. Los detalles completos de fabricación se discuten en los Métodos.

a Esquema del proceso de fabricación de grabado en ángulo con haz de iones reactivos (RIBAE). (i) La máscara de grabado se modela en la superficie de la muestra de diamante. (ii) Grabado de arriba hacia abajo con la muestra montada perpendicular a la trayectoria del haz de iones en una etapa de muestra giratoria. (iii) La muestra se inclina durante el grabado para obtener el ángulo objetivo α con respecto a la dirección del haz de iones, grabando uniformemente debajo de la máscara de grabado. (iv) La eliminación de la máscara produce una matriz de nanoestructuras tridimensionales grabadas en la superficie del diamante. b Imagen óptica del espejo de diamante en un cristal de diamante de 4,2 mm × 4,2 mm. Cada división en la regla es de 1 mm. Crédito de la foto: HA Atikian, Harvard. c Imagen SEM del espejo de diamante tomada a 60° de lo normal. d Imagen SEM ampliada del espejo tomada a 40° de lo normal.

En la figura 2b se muestra una imagen óptica de un espejo fabricado. Una imagen de microscopio electrónico de barrido (SEM) del espejo se presenta en la Fig. 2c, con una imagen ampliada que se muestra en la Fig. 2d. Ambas imágenes muestran las columnas en forma de "tee de golf" en una matriz espaciada uniformemente. El área del espejo de diamante es de 3 mm × 3 mm, con una geometría de dispositivo casi idéntica de un borde del espejo al otro. La técnica RIBAE permite la capacidad de fabricar de manera precisa y uniforme geometrías a escala nanométrica en una gran superficie.

The reflection spectrum of a diamond mirror is measured using a procedure outlined in the Methods. The result is shown in Fig. 3a, showing excellent agreement with the predictions of the FDTD simulations for α = 70° and the rest of our target design parameters, see the caption of Fig. 1d. An absolute reflectivity of 98.9 ± 0.3% at 1064 nm is measured, with uncertainty owing to the accuracy of the optical power detector. Approximately 0.5% of the optical power is transmitted through the backside-polished diamond substrate, while the remaining 0.6% is loss, likely due to scatter rather than absorption. Measurements of high-quality factor resonators produced in diamond using RIBAE have suggested little surface absorption61,62,300 000 in diamond microdisks for optomechanics via etch optimization. APL Photonics 4(1), 016101 (2019)." href="/articles/s41467-022-30335-2#ref-CR63" id="ref-link-section-d298841946e1106">63. Además, se observa una reflectividad superior al 98 % en un ancho de banda de 10 nm alrededor de 1064 nm, lo que también es coherente con las simulaciones.

un espectro de reflexión de un espejo de diamante, la línea azul son datos de medición y la línea roja es simulación FDTD. La reflectividad absoluta de 98,9 ± 0,3 % se mide a 1064 nm usando un láser DBR. El recuadro muestra un acercamiento del espectro medido alrededor de su máximo. b Medida del perfil del haz tomada del reflejo del espejo de diamante utilizando un perfilador de ranura de exploración. Los ejes muestran secciones transversales del haz reflejado (círculos negros) con ajuste gaussiano superpuesto (rojo). El ajuste produce un ancho de haz de 4σ de ~1,5 mm. La distancia se refiere a la cantidad recorrida por la rendija en relación con su posición inicial. El recuadro muestra una perspectiva tridimensional del haz reflejado, con ejes (y sus unidades) idénticos a la figura principal. Los colores indican la intensidad óptica normalizada.

Las mediciones del perfil del haz se realizan en el reflejo del espejo de diamante para garantizar que un haz gaussiano incidente de 1064 nm de longitud de onda no se distorsione. Vea los Métodos para más detalles. En la Fig. 3b se presenta un gráfico en 2D de la distribución de potencia del haz reflejado, con perfiles transversales para cada eje superpuestos con un ajuste gaussiano independiente. Estas medidas se utilizan para determinar la distribución de potencia tridimensional del haz reflejado, como se muestra en el recuadro de la Fig. 3b, que ilustra aún más la ausencia de cualquier distorsión del haz. Tenga en cuenta que nuestras simulaciones FDTD muestran que la superficie de diamante nanoestructurada mantiene un frente de fase uniforme para los haces reflejados, consulte la Fig. 6 complementaria.

A continuación, diseñamos y fabricamos un espejo de 3 mm × 3 mm con una reflectividad medida del 96 % a 1070 nm. El espejo se monta en una etapa refrigerada por agua a 18 °C y se irradia durante 30 s utilizando luz láser CW con potencia variada para evaluar su umbral de daño inducido por láser (LIDT) en esta longitud de onda. Tenga en cuenta que la óptica típica utiliza expansores de haz para mitigar el daño del láser, mientras que aquí enfocamos el haz a un diámetro de 750 µm (1/e2), que corresponde a cientos de períodos de la red "tee de golf". Este tamaño de punto representa un diámetro de haz razonable que se usaría en un sistema láser práctico, correspondiente a una longitud de Rayleigh de aproximadamente 1,66 m para un haz gaussiano en esta longitud de onda. Se pueden usar tamaños de punto más pequeños para aumentar la densidad de potencia; sin embargo, intentamos realizar las pruebas LIDT con cinturas de haz y la carga térmica asociada, que estarían presentes en un sistema óptico realista. Además, realizamos pruebas con incidencia normal, asegurando que se dirija la máxima energía al espejo. Las imágenes ópticas y térmicas tomadas durante las pruebas LIDT se muestran en la Fig. 4a-e, mientras que todos los detalles del espejo de prueba, la configuración y el procedimiento se proporcionan en la leyenda de la figura y Métodos. Los videos térmicos y ópticos de las pruebas se muestran en los videos complementarios 1 a 6. El punto caliente en las imágenes sugiere que la potencia del láser que no se refleja se transmite a través del espejo, calentando la etapa subyacente enfriada por agua. El microscopio óptico y las imágenes SEM después de las pruebas no indican daños ni cambios en la morfología de la superficie. En la Fig. 4f se muestra una vista de gran angular del espejo de diamante después de la prueba LIDT. Además, medimos la reflectividad del espejo después de las pruebas de daño, encontrando que también se mantiene. Por lo tanto, no podemos determinar el LIDT para el espejo de diamante utilizando hasta 10 kW de luz láser CW, lo que demuestra su robustez para aplicaciones de alta potencia.

a Imagen óptica de un espejo de diamante montado en una plataforma enfriada por agua que se tomó antes de la prueba. b–e Imágenes térmicas del espejo de diamante irradiado por 0,5, 2,5, 5 y 10 kW, respectivamente, de potencia de láser de onda continua. La barra de colores muestra la temperatura de la configuración con una escala variable para cada imagen. La precisión de la temperatura es de ±2°. El punto caliente corresponde a la posición del haz (en el espejo de diamante). A mayores niveles de potencia, una pequeña fracción de la potencia óptica que se filtra por la parte trasera del espejo de diamante provoca el calentamiento de la platina. f La imagen SEM de área amplia del espejo de diamante no muestra daños después de la prueba. La barra de escala es de 5 μm. g Imagen óptica de un espejo dieléctrico correspondiente montado en la etapa enfriada por agua. h–k Imágenes térmicas del espejo dieléctrico irradiado por 0,5, 2, 6 y 10 kW, respectivamente, de potencia láser CW. El daño se produce a 10 kW de potencia debido al estrés térmico. l La imagen de la región dañada del espejo dieléctrico tomada después de la prueba muestra un orificio de varios milímetros de tamaño donde el rayo láser eliminó el dieléctrico. Crédito fotográfico de los paneles (a), (g) y (l): S. DeFrances, Penn State EOC.

Para poner nuestro resultado en contexto, repetimos las pruebas LIDT usando un espejo dieléctrico estándar de 99.5% de reflectividad. Las imágenes ópticas y térmicas se muestran en la Fig. 4g–k, con más detalles de la prueba, las propiedades del espejo dieléctrico y la configuración descrita en el título de la figura y los Métodos, mientras que un video térmico de la prueba a 10 kW de potencia se muestra en el Video complementario. 7. A medida que aumenta la potencia, la temperatura del punto caliente aumenta rápidamente debido a la absorción, la mala conductividad térmica y la expansión de los revestimientos dieléctricos30, lo que provoca daños por debajo de los 10 kW de irradiación. Esto se confirma mediante una imagen óptica del espejo tomada después de las pruebas, que se muestra en la Fig. 4l, que sugiere un rendimiento inferior al del espejo de diamante para la óptica irradiada con luz láser CW de alta potencia.

Demostramos espejos de diamante monolíticos altamente reflectantes que soportan la luz láser CW de alta potencia. Nuestros resultados están respaldados por mediciones del perfil del haz y modelos numéricos en los que no se infirieron distorsiones en el haz láser reflejado. Las pruebas de daños demostraron la capacidad de un espejo de diamante para operar bajo una iluminación láser CW de 10 kW, al contrario de lo que sucede con un espejo dieléctrico estándar, que no puede sobrevivir a la alta carga térmica a estas potencias. El daño se debe a la alta potencia del haz CW a través de un punto de 750 μm de diámetro, a diferencia de las pruebas que utilizan pulsos de picosegundo y femtosegundo de alta potencia de duración de láseres de modo bloqueado, que causan daño (a los dieléctricos, incluido el diamante) predominantemente debido a la ionización por impacto y la ruptura dieléctrica. Serían valiosas pruebas adicionales de los umbrales de daño del espejo de diamante monolítico contra espejos personalizados de alta potencia, por ejemplo, aquellos que se basan en recubrimientos pulverizados con haz de iones en dieléctricos variados, incluido el diamante, para determinar la extensión total de nuestro espejo en relación con el estado. de la técnica, véanse, por ejemplo, Refs. 64,65,66. El trabajo futuro implica ampliar nuestro enfoque a los componentes ópticos para láseres de alta potencia CW en otras longitudes de onda, lo que podría beneficiar a varias aplicaciones2,3,4,6,7,8. Finalmente, enfatizamos que nuestra tecnología de espejos no se limita solo al diamante, ya que los reflectores se pueden fabricar con una amplia variedad de materiales. Por ejemplo, los espejos monolíticos que aprovechan la banda prohibida extremadamente grande (~9 eV) de la sílice fundida podrían beneficiar las aplicaciones de láser ultrarrápido.

Para realizar las complejas estructuras de columnas tridimensionales en un área amplia, empleamos una técnica de nanofabricación de grabado en ángulo no convencional, pero novedosa y escalable, que utiliza un proceso de grabado de haz de iones reactivos (RIBE). RIBE es un derivado del grabado con haz de iones (IBE) en el que se utiliza una fuente de haz de iones de área amplia para colimar y dirigir un haz de iones de alta energía desde una fuente de gas. La distinción de RIBE es que la fuente de plasma se compone de gases reactivos, mientras que IBE se limita a gases nobles como Ar, Xe o Ne. Usamos O2 como gas reactivo para grabar diamantes. Los iones se extraen de la fuente de plasma utilizando un conjunto de rejillas polarizadas eléctricamente, típicamente hechas de Mo. Los voltajes aplicados a estas rejillas, junto con la fuente de plasma, dictan la energía, el flujo y la divergencia de los iones. Normalmente, la uniformidad del haz de iones puede ser superior al 95 % a lo largo del diámetro de la fuente del haz de iones, y el tamaño de la muestra (p. ej., oblea o cristal) a procesar solo está restringido por la sección transversal del haz.

La figura 5 muestra el procedimiento de grabado RIBAE que se utiliza para crear un espejo de diamante61. El proceso comienza golpeando una máscara de grabado sobre la superficie del diamante, seguido de un grabado de arriba hacia abajo con la muestra montada perpendicular a la trayectoria del haz de iones en una plataforma de muestra giratoria, consulte la Fig. 5b (i). Una vez que se ha alcanzado la profundidad de grabado deseada, la muestra se inclina a un ángulo α con respecto a la trayectoria del haz de iones, y las columnas de diamante se recortan uniformemente en todas las direcciones, consulte la Fig. 5b (ii). Luego se quita la máscara de grabado para revelar la estructura final representada en la Fig. 5b (iii).

una representación gráfica de RIBAE. b Pasos de fabricación de RIBAE (i) Grabado de arriba hacia abajo de una muestra de diamante montada perpendicularmente a la trayectoria del haz de iones en una plataforma de muestra giratoria. (ii) La muestra se inclina para obtener un ángulo agudo entre la muestra y el haz de iones, grabando uniformemente debajo de la máscara de grabado. (iii) La eliminación de la máscara produce nanoestructuras socavadas de un sustrato a granel.

Ahora describimos todos los pasos del proceso de fabricación en detalle. Se crea un espejo a partir de un diamante monocristalino de tipo IIa del elemento 6, cultivado mediante deposición química de vapor con una concentración de nitrógeno inferior a 5 ppb. La muestra de diamante se limpia en una mezcla hirviendo de partes iguales de ácido sulfúrico, nítrico y perclórico61,62. La máscara de grabado se construye de la siguiente manera. En primer lugar, se deposita una capa de Nb de 70 nm de espesor sobre la superficie de la muestra mediante pulverización catódica con magnetrón de CC, seguida de un recubrimiento por rotación con una resistencia de silsesquioxano de hidrógeno (HSQ). En el HSQ se crea una matriz de círculos en una cuadrícula hexagonal mediante la realización de una litografía de haz de electrones de 125 keV y se revela utilizando una solución de hidróxido de tetrametilamonio al 25%. Finalmente, se realiza un grabado de arriba hacia abajo de la película de Nb en un grabador de iones reactivos de plasma acoplado inductivamente (ICP-RIE) de UNAXIS Shuttleline con los siguientes parámetros: 400 W de potencia ICP, 250 W de potencia de radiofrecuencia (RF), 40 sccm Ar caudal, caudal de Cl2 de 25 sccm y presión de proceso de 8 × 10–3 Torr.

El resto de la fabricación sigue el proceso RIBAE utilizando una fuente de haz de iones RF-ICP de 14 cm de Kaufman & Robinson. Los parámetros RIBAE son: potencial de haz de 200 V, potencial de acelerador de 26 V, corriente de haz de 85 mA, potencia ICP de ~155 W, caudal de O2 de 37 sccm y presión de proceso de 7,5 × 10–4 Torr. Se utiliza un neutralizador de fuente de electrones no sumergidos para neutralizar los iones positivos del haz. El neutralizador se monta en el lado de la fuente de iones con la corriente de emisión establecida en 1,25x de la corriente del haz de la fuente de iones y con un flujo de gas Ar de 10 sccm.

Se realiza un RIBE de arriba hacia abajo de la muestra para lograr la profundidad deseada de las estructuras, seguido de la eliminación de la máscara HSQ mediante ácido fluorhídrico (HF). Nb no reacciona con HF, dejando intacta la máscara de Nb para que sirva como máscara para el proceso de grabado en ángulo. El razonamiento para la máscara de Nb de 70 nm de espesor es doble. En primer lugar, es una excelente máscara de grabado para plasma de oxígeno, que brinda una amplia selectividad para crear las estructuras deseadas sin una erosión significativa de la máscara. En segundo lugar, se requiere una máscara delgada de modo que cuando se incline la muestra, la altura de la resistencia no deba sombrear las nanoestructuras vecinas. Esta restricción pone un límite máximo a qué tan cerca pueden estar los patrones entre sí (es decir, esto restringe el tono) al mismo tiempo que permite que se creen columnas socavadas.

RIBAE se realiza en el ángulo de diseño α (p. ej., 70°) hasta que se logra el socavado deseado y se logran las dimensiones de la columna objetivo. A esto le sigue la eliminación de la máscara de Nb utilizando un pulidor químico tamponado (BCP) que consta de dos partes de ácido fosfórico al 85 %, una parte de ácido fluorhídrico al 49 % y una parte de ácido nítrico al 70 %. Luego, la muestra se enjuaga con agua desionizada, seguido de una limpieza con solvente con acetona y alcohol isopropílico. La característica clave de esta técnica es la notable uniformidad en un área amplia, potencialmente tan grande como 200 mm de diámetro, limitada solo por el tamaño de la fuente de haz de iones utilizada.

El espectro de reflexión de un espejo de diamante se mide usando la configuración descrita en la Fig. 6. La luz de banda ancha se genera usando un diodo de superluminiscencia de 1065 nm (SLD, InPhenix IPSDD1004C), se colima y dirige usando espejos plateados de banda ancha (Thorlabs PF10-03- P01), a un disipador de haz 50:50 (Thorlabs CM1-BP145B3) después de pasar a través de una lente (Thorlabs AC254-300-C-ML) que enfoca el haz en el espejo de diamante (o espejo de referencia, ver más abajo). El divisor de haz dirige la luz reflejada a una lente idéntica que colima el haz y lo dirige a un analizador de espectro óptico (Yokogawa AQ6370). Usamos una lente de distancia focal larga (300 mm) para garantizar que el diámetro del haz en el espejo de diamante sea inferior a 1 mm, que es mucho más pequeño que el área estampada en el cristal de diamante (3 mm × 3 mm). Después de medir un espectro de un espejo de plata de banda ancha (Thorlabs PF10-03-P01) como referencia, se mide el espejo de diamante y se determina su espectro con normalización a la referencia.

El espectro de reflexión se mide usando luz de un SLD de 1065 nm que se colima y se dirige con espejos plateados de banda ancha a un divisor de haz 50:50 después de pasar a través de una lente de enfoque. La luz reflejada del espejo de diamante, o un espejo de referencia, se dirige a un analizador de espectro óptico (OSA) después de pasar por una lente de desenfoque. Una fuente de láser DBR de 1064 nm y un fotodetector óptico (PD) de espacio libre reemplazaron el diodo y el OSA para obtener mediciones de reflectividad más precisas. El PD fue reemplazado por un perfilador de hendidura de escaneo (SSP) para mediciones de perfil de haz.

Se realiza una medición más precisa de la reflectividad a 1064 nm reemplazando el SLD con un láser reflector Bragg distribuido (DBR) de 1064 nm de 10 MHz de ancho de línea (Thorlabs DBR1064S) y el analizador de espectro óptico con un fotodetector óptico de espacio libre (Newport 918D- sensor SL-OD3R conectado a un medidor de potencia Newport 1936R, modo promedio). Se toma una medida de referencia utilizando un láser Nd:YAG y un espejo de 99,8 % de reflectividad (Thorlabs NB1-K14) para determinar con precisión la reflectividad del espejo de diamante a 1064 nm.

Las mediciones del perfil del haz se realizan utilizando el láser DBR de 1064 nm con un perfilador de haz de hendidura de exploración (Thorlabs BP209-IR) que reemplaza al fotodetector. Se utiliza un método de mínimos cuadrados para ajustar (χ² = 0,002) el perfil de la sección transversal gaussiana xy de la viga, consulte la Fig. 3b.

Las pruebas de umbral de daño inducido por láser (LIDT) de los espejos de diamante y dieléctricos se evalúan en el Laboratorio de Investigación Aplicada de la Universidad Estatal de Pensilvania, Centro de Electroóptica. La prueba se realiza utilizando un láser de fibra multimodo de 1070 nm de IPG Photonics, capaz de proporcionar hasta 10 kW de luz láser de onda continua. El espejo de diamante está diseñado y fabricado para reflejar la luz de una longitud de onda de 1070 nm y está sujeto a una platina de aluminio refrigerada por agua (Aavid 416401U00000G) mediante abrazaderas de Cu. El espejo dieléctrico (Thorlabs BB2-EO3) también se sujeta mecánicamente a la plataforma de aluminio refrigerada por agua. El enfriador utilizado para enfriar el escenario está a una temperatura de 18 °C y fluye a aproximadamente 7,5 litros por minuto. Una lente de 500 mm de distancia focal enfoca el láser en un punto de 750 µm (1/e2) de diámetro en los espejos de diamante y dieléctrico. La inspección y la captura de imágenes digitales de los espejos se realizan durante las pruebas LIDT utilizando una cámara óptica fuera del eje. También se utiliza una cámara termográfica Mikron M7600 (precisión de ±2°, emisividad establecida en 0,97) para controlar la temperatura de los espejos y la platina de aluminio durante las pruebas. Se dirige de 2 a 3° fuera de la incidencia normal para evitar que los reflejos regresen al láser.

El espectro de reflexión del espejo de diamante se simula y mide de antemano utilizando el diodo superluminiscente y la configuración que lo acompaña como se describe en la sección anterior, con los resultados que se muestran en la Fig. 7, observando que la reflectividad es del 96 % a 1070 nm. El espectro del láser IPG de 10 kW también se muestra en esta figura (en unidades arbitrarias), que ilustra la superposición del láser utilizado durante la prueba LIDT con el espectro de reflexión del espejo de diamante bajo prueba.

Un espejo de diamante medido (curva azul) y un espectro de reflexión simulado (curva roja) con incidencia normal. La curva verde muestra el espectro del láser IPG de 10 kW utilizado durante la prueba de daños representado en unidades arbitrarias.

El perfil de la sección transversal del haz de alta potencia del láser IPG se mide utilizando un monitor de enfoque Primes, los resultados se muestran en la Fig. 8 junto con un ajuste gaussiano. El monitor de enfoque Primes tiene una punta de metal con un orificio de 20 μm de diámetro que puede trasladarse mediante una platina motorizada a la ubicación deseada. La punta atraviesa toda el área del haz, recopilando un mapa 2-D del perfil del haz.

El perfil del haz se recopila utilizando un monitor de enfoque Primes. El monitor de enfoque tiene una punta de metal con un orificio de 20 μm de diámetro en el lateral. La punta giratoria luego atraviesa toda el área del haz, recopilando datos 2-D del perfil del haz. La línea azul representa los datos sin procesar del eje x del haz. La línea azul (roja) son los datos (ajuste gaussiano).

La prueba LIDT se realiza de tal manera que los espejos se irradian durante 30 s con una potencia de láser constante. La potencia del láser se incrementa de 0,5 a 10 kW, y la prueba se repite para cada nivel de potencia, consulte el título de la Fig. 4. Durante cada prueba LIDT de los espejos de diamante y dieléctricos (es decir, para cada nivel de potencia), la temperatura en el punto caliente alcanzó rápidamente un estado estable una vez que comenzó la iluminación y permaneció a esa temperatura hasta que cesó la iluminación. Es decir, excepto para la prueba de 10 kW utilizando el espejo dieléctrico, es decir, al comienzo del daño del espejo dieléctrico. Las temperaturas de estado estacionario se muestran en las imágenes térmicas de la Fig. 4b–e y h–j. Como se ilustra en estas figuras, la temperatura del punto caliente aumentó más rápidamente con el aumento de la potencia del láser durante las pruebas dieléctricas (consulte el siguiente párrafo). Sin embargo, la temperatura del punto caliente para las pruebas de 10 kW del espejo dieléctrico no alcanzó un estado estable, sino que aumentó constantemente durante la duración de la iluminación hasta que se produjo el daño, momento en el que se detuvo la iluminación láser. La imagen de la Fig. 4k se toma inmediatamente después de que se produce el daño.

Como se ha discutido ampliamente en la literatura29, la conductividad térmica relativamente baja de los sustratos y recubrimientos comúnmente utilizados para espejos dieléctricos condujo al rápido aumento de la temperatura del sitio de exposición al láser. Combinado con el alto y variable coeficiente de expansión térmica de estos recubrimientos, se produjo estrés térmico y se produjeron daños posteriores. Por el contrario, las pruebas del espejo de diamante monocristalino, que tiene una alta conductividad térmica, condujeron solo al calentamiento de la placa de aluminio y no a ningún daño.

Los conjuntos de datos generados y analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Este trabajo 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. CNS es parte de la Universidad de Harvard. El umbral de daño inducido por láser del espejo de diamante se evaluó en el Laboratorio de Investigación Aplicada de la Universidad Estatal de Pensilvania, Centro de Electroóptica. Este trabajo 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 Quantum Integrado Materiales y NSF Grant No. DMR-1231319. NS reconoce además el apoyo del Consejo de Investigación de Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá (NSERC) y el programa de investigación AQT Intelligent Quantum Networks and Technologies (INQNET). PL fue apoyado por la Beca de Investigación de Posgrado de la Fundación Nacional de Ciencias bajo la Subvención No. DGE1144152. Los autores agradecen a Daniel Twitchen y Matt Markham de Element Six por su apoyo con las muestras de diamantes y a Michael Haas por la asistencia con el software.

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Laboratorio de Investigación Aplicada de la Universidad Estatal de Pensilvania, Centro de Electroóptica, Freeport, PA, 16229, EE. UU.

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Rama de análisis y tecnología láser, Centro de guerra de superficie naval, División Dahlgren, Dahlgren, VA, 22448, EE. UU.

Michael Roman y Sean Durrant

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HA y ML concibieron la idea. HA, XX y SG realizaron simulaciones. HA fabricó los espejos. SM ayudó con la preparación de diamantes. HA y PL diseñaron la configuración del experimento. HA realizó caracterizaciones ópticas. DW ayudó con las mediciones del perfil del haz. HA y NS analizaron e interpretaron los datos. JR, DB, SD, JT, MR y SD ayudaron con las pruebas de daños por láser. HA y NS escribieron el manuscrito con la ayuda de todos los coautores. FC y ML supervisaron el proyecto.

Correspondencia a Marko Lončar.

HA y ML son inventores en solicitudes de patentes relacionadas con este trabajo (número de EE. UU.: 10 727 072, fecha de presentación: mayo de 2016, concesión: julio de 2020) y (solicitud de EE. UU. número: 15/759,909, fecha de presentación: septiembre de 2016). Los autores declaran que no tienen otros intereses en competencia.

Nature Communications agradece a Richard Mildren ya los otros revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo. Los informes de revisión por pares están disponibles.

Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Atikian, HA, Sinclair, N., Latawiec, P. et al. Espejos de diamante para láseres de onda continua de alta potencia. Nat Comun 13, 2610 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-30335-2

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Recibido: 19 Septiembre 2021

Aceptado: 26 abril 2022

Publicado: 11 mayo 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-30335-2

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