Le miroir en diamant résiste aux lasers suffisamment puissants pour brûler l'acier

Les lasers de haute puissance interviennent dans tout, de la fabrication aux communications dans l'espace lointain, et le développement continu de versions plus puissantes appelle à repenser les composants responsables de la direction de leurs faisceaux de lumière. Une équipe d'ingénieurs de Harvard s'est tournée vers l'un des matériaux les plus solides connus dans le diamant, qu'ils ont utilisé pour former un nouveau miroir capable de supporter des faisceaux laser suffisamment puissants pour brûler l'acier.

Le nouveau miroir robuste a été développé en réponse à certaines des lacunes des systèmes laser à onde continue haute puissance d'aujourd'hui. Les miroirs utilisés pour diriger les faisceaux dans ces lasers sont constitués de fines couches de matériaux aux propriétés optiques variables. Si l'une de ces couches présente ne serait-ce qu'un petit défaut, le laser brûlera à travers le miroir au lieu de rebondir dessus, annulant toute l'opération.

Une approche plus simple pourrait consister à utiliser un seul matériau pour l'ensemble du miroir afin de limiter les risques de défauts, mais ce n'est pas aussi simple que de saisir l'un des matériaux les plus résistants que vous puissiez trouver et de le mettre au travail. Pour former leur nouveau miroir en diamant, l'équipe de recherche a dû exploiter des techniques de gravure de pointe développées à l'origine pour sculpter des structures à l'échelle nanométrique dans des diamants à utiliser dans l'optique quantique et les communications.

"Nous avons pensé, pourquoi ne pas utiliser ce que nous avons développé pour des applications quantiques et l'utiliser pour quelque chose de plus classique", a déclaré Haig Atikian, premier auteur de l'article.

Cela impliquait l'utilisation d'un faisceau d'ions pour graver des structures microscopiques en forme de tee de golf sur la surface d'une fine feuille de diamant mesurant seulement 3 x 3 mm (0,1 x 0,1 po). Ces structures sont ce qui donne au miroir en diamant ses propriétés réfléchissantes, les scientifiques arrivant à une réflectivité de 98,9 % comme point idéal qui aide à maintenir sa durabilité.

"Vous pouvez fabriquer des réflecteurs réfléchissants à 99,999 %, mais ceux-ci ont 10 à 20 couches, ce qui est bien pour un laser à faible puissance, mais ne serait certainement pas capable de résister à des puissances élevées", a déclaré Neil Sinclair, co-auteur de l'article.

Les scientifiques ont mis leur nouveau miroir à l'épreuve en le plaçant devant un laser de 10 kW utilisé pour la recherche par l'US Navy, qui, selon eux, est suffisamment puissant pour brûler l'acier. Le miroir est sorti complètement indemne.

"L'argument de vente de cette recherche est que nous avions un laser de 10 kilowatts focalisé sur un point de 750 microns sur un diamant de 3 x 3 millimètres, ce qui représente beaucoup d'énergie concentrée sur un très petit point, et nous ne l'avons pas brûlé", a déclaré Atikian. "Ceci est important car, à mesure que les systèmes laser deviennent de plus en plus gourmands en énergie, vous devez trouver des moyens créatifs de rendre les composants optiques plus robustes."

Les scientifiques explorent la commercialisation de la technologie et imaginent que leurs nouveaux miroirs en diamant sont utilisés pour faire progresser des domaines allant de la fabrication et de la défense des semi-conducteurs aux communications dans l'espace lointain et à la fabrication industrielle.

"Notre approche de miroir à un seul matériau élimine les problèmes de contrainte thermique qui sont préjudiciables aux miroirs conventionnels, formés par des empilements multi-matériaux, lorsqu'ils sont irradiés avec de grandes puissances optiques", a déclaré Marko Loncar, auteur principal de l'article. "Cette approche a le potentiel d'améliorer ou de créer de nouvelles applications de lasers haute puissance."

La recherche a été publiée dans la revue Nature Communications.

Source : Université de Harvard