Praticamente todos os carros, trens e aviões construídos desde 1970 foram fabricados com lasers de alta potência que disparam um feixe de luz contínuo. Esses lasers são fortes o suficiente para cortar aço, precisos o suficiente para realizar cirurgias e poderosos o suficiente para transportar mensagens para o espaço profundo. Eles são tão poderosos, na verdade, que é difícil projetar componentes resistentes e duradouros que possam controlar os poderosos feixes que os lasers emitem.
Hoje, a maioria dos espelhos usados ​​para direcionar o feixe em lasers de onda contínua de alta potência (CW) são feitos por camadas finas de materiais com diferentes propriedades ópticas. Mas se houver um pequeno defeito em qualquer uma das camadas, o poderoso feixe de laser queimará, fazendo com que todo o dispositivo falhe.

Se você pudesse fazer um espelho de um único material, reduziria significativamente a probabilidade de defeitos e aumentaria a vida útil do laser. Mas que material seria forte o suficiente?

Agora, pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson (SEAS) construíram um espelho com um dos materiais mais fortes do planeta:o diamante. Ao gravar nanoestruturas na superfície de uma fina folha de diamante, a equipe de pesquisa construiu um espelho altamente reflexivo que resistiu, sem danos, aos experimentos com um laser da Marinha de 10 quilowatts.

"Nossa abordagem de espelho de um material elimina os problemas de estresse térmico que são prejudiciais aos espelhos convencionais, formados por pilhas de vários materiais, quando são irradiados com grandes potências ópticas", disse Marko Loncar, professor de engenharia elétrica Tiantsai Lin na SEAS e autor sênior do artigo. "Esta abordagem tem potencial para melhorar ou criar novas aplicações de lasers de alta potência."

A pesquisa é publicada em Nature Communications .

O Laboratório de Óptica de Nanoescala de Loncar desenvolveu originalmente a técnica para gravar estruturas em nanoescala em diamantes para aplicações em óptica quântica e comunicações.

“Pensamos, por que não usar o que desenvolvemos para aplicações quânticas e usá-lo para algo mais clássico”, disse Haig Atikian, ex-aluno de pós-graduação e pós-doutorado na SEAS e primeiro autor do artigo.

Usando essa técnica, que usa um feixe de íons para gravar o diamante, os pesquisadores esculpiram uma série de colunas em forma de tee de golfe na superfície em uma folha de diamante de 3 milímetros por 3 milímetros. O formato dos tees de golfe, largos na parte superior e estreitos na parte inferior, torna a superfície do diamante 98,9% refletiva.

"Você pode fazer refletores que são 99,999% refletivos, mas têm 10-20 camadas, o que é bom para laser de baixa potência, mas certamente não seria capaz de suportar altas potências", disse Neil Sinclair, cientista pesquisador da SEAS e co- autor do papel.

Para testar o espelho com um laser de alta potência, a equipe recorreu a colaboradores do Laboratório de Pesquisa Aplicada da Universidade Estadual da Pensilvânia, um Centro de Pesquisa Afiliado da Universidade da Marinha dos EUA designado pelo Departamento de Defesa.

Lá, em uma sala especialmente projetada que é trancada para evitar que níveis perigosos de luz laser vazem e ceguem ou queimem os da sala adjacente, os pesquisadores colocaram seu espelho na frente de um laser de 10 quilowatts, forte o suficiente para queimar aço .

O espelho saiu ileso.

"O ponto de venda com esta pesquisa é que tivemos um laser de 10 quilowatts focado em um ponto de 750 mícrons em um diamante de 3 por 3 milímetros, que é muita energia focada em um ponto muito pequeno, e nós não o queimamos", disse Atikian. "Isso é importante porque, à medida que os sistemas a laser se tornam cada vez mais famintos por energia, você precisa encontrar maneiras criativas de tornar os componentes ópticos mais robustos".

No futuro, os pesquisadores prevêem que esses espelhos sejam usados ​​para aplicações de defesa, fabricação de semicondutores, fabricação industrial e comunicações no espaço profundo. A abordagem também pode ser usada em materiais menos caros, como sílica fundida.

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