Quasi tutte le auto, i treni e gli aerei costruiti dal 1970 sono stati prodotti utilizzando laser ad alta potenza che sparano un raggio di luce continuo. Questi laser sono abbastanza potenti da tagliare l'acciaio, abbastanza precisi da eseguire interventi chirurgici e abbastanza potenti da trasportare messaggi nello spazio profondo. Sono così potenti, infatti, che è difficile progettare componenti resilienti e di lunga durata in grado di controllare i potenti raggi emessi dai laser.

Oggi, la maggior parte degli specchi utilizzati per dirigere il raggio nei laser a onda continua (CW) ad alta potenza sono realizzati stratificando sottili rivestimenti di materiali con diverse proprietà ottiche. Ma se c'è anche solo un minuscolo difetto in uno qualsiasi degli strati, il potente raggio laser brucerà, causando il guasto dell'intero dispositivo.

Se potessi realizzare uno specchio con un unico materiale, ridurrebbe notevolmente la probabilità di difetti e aumenterebbe la durata del laser. Ma quale materiale sarebbe abbastanza resistente?

Ora, i ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hanno costruito uno specchio con uno dei materiali più resistenti del pianeta:il diamante. Incidendo nanostrutture sulla superficie di un sottile foglio di diamante, il team di ricerca ha costruito uno specchio altamente riflettente che ha resistito, senza danni, agli esperimenti con un laser Navy da 10 kilowatt.

"Il nostro approccio allo specchio monomateriale elimina i problemi di stress termico che sono dannosi per gli specchi convenzionali, formati da pile multimateriale, quando vengono irradiati con grandi poteri ottici", ha affermato Marko Loncar, professore di ingegneria elettrica di Tiantsai Lin presso SEAS e autore senior del documento. "Questo approccio ha il potenziale per migliorare o creare nuove applicazioni di laser ad alta potenza".

La ricerca è pubblicata in Nature Communications .

Il Laboratory for Nanoscale Optics di Loncar ha originariamente sviluppato la tecnica per incidere strutture su nanoscala in diamanti per applicazioni nell'ottica quantistica e nelle comunicazioni.

"Abbiamo pensato, perché non utilizzare ciò che abbiamo sviluppato per applicazioni quantistiche e usarlo per qualcosa di più classico", ha affermato Haig Atikian, ex studente laureato e borsista post-dottorato presso SEAS e primo autore dell'articolo.

Usando questa tecnica, che utilizza un raggio ionico per incidere il diamante, i ricercatori hanno scolpito una serie di colonne a forma di tee da golf sulla superficie su un foglio diamantato di 3 mm per 3 mm. La forma delle tee da golf, ampia nella parte superiore e sottile nella parte inferiore, rende la superficie del diamante riflettente al 98,9%.

"Puoi realizzare riflettori riflettenti al 99,999% ma quelli hanno 10-20 strati, il che va bene per laser a bassa potenza ma di certo non sarebbero in grado di resistere a potenze elevate", ha affermato Neil Sinclair, ricercatore presso SEAS e co- autore della carta.

Per testare lo specchio con un laser ad alta potenza, il team si è rivolto ai collaboratori del Laboratorio di ricerca applicata della Pennsylvania State University, un centro di ricerca affiliato della US Navy University designato dal Dipartimento della Difesa.

Lì, in una stanza appositamente progettata che è chiusa a chiave per evitare che livelli pericolosi di luce laser fuoriescano e accechino o brucino quelli nella stanza adiacente, i ricercatori mettono il loro specchio davanti a un laser da 10 kilowatt, abbastanza forte da bruciare l'acciaio .

Lo specchio ne è uscito illeso.

"Il punto di forza di questa ricerca è che avevamo un laser da 10 kilowatt focalizzato in un punto di 750 micron su un diamante di 3 x 3 millimetri, che è molta energia concentrata su un punto molto piccolo, e non l'abbiamo bruciato", ha detto Atikian. "Questo è importante perché man mano che i sistemi laser diventano sempre più affamati di energia, è necessario trovare modi creativi per rendere i componenti ottici più robusti."

In futuro, i ricercatori prevedono che questi specchi vengano utilizzati per applicazioni di difesa, produzione di semiconduttori, produzione industriale e comunicazioni nello spazio profondo. L'approccio potrebbe essere utilizzato anche in materiali meno costosi, come la silice fusa.

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