高功率连续波（CW）激光器可广泛应用于工业、医学、通信和国防等多个领域，这些应用都需要激光器的光学元件（尤其是反射镜）能够承受住激光的高功率照射，传统的反射镜一般通过多层薄膜或纳米结构薄膜来实现，前者利用不同折射率和厚度的交替薄膜在目标波长和偏振下产生干涉效应，而后者利用局部或共振效应实现高反射率。
然而，薄膜中的缺陷或薄膜之间的界面会形成可以吸收激光能量的位置，从而导致在该位置处产生大量热量，进而导致薄膜层之间的融化和损坏，这不仅阻碍了高功率激光器的有效性和实用性，而且提高了激光器的成本和复杂性。
为了解决这一问题，哈佛大学约翰·鲍尔森（John A. Paulson）工程与应用科学学院的研究人员通过在单晶金刚石的表面刻蚀设计的纳米结构实现了可承受高功率CW激光照射的反射镜，其反射率达到了98%以上，且可以在1070 nm的10 kW连续波激光照射下正常工作，其相关内容已发表在Nature Communications。
单晶金刚石是一种具有出色光学和热性能的材料，具有相对较高的折射率(2.4)、宽带隙(5.5e V)、较高的机械硬度和耐化学性，以及室温下最高的材料热导率(2200 W/K·m)等优异特性。平面光子晶体和超材料通常是对低折射率沉底上的高折射率电介质（或金属）膜进行纳米图案化形成的，可以利用其光学共振来获得所需的折射率对比度。
然而，他们却受到与传统多层薄膜相同的功率处理限制，为了应对这一限制，研究人员利用离子束刻蚀技术对单基底的金刚石表面进行刻蚀，如图所示为研究人员在3 mm×3 mm的金刚石表面刻蚀的高尔夫球座形状的圆柱结构，这种结构上宽下窄，可以赋予金刚石表面98.9%的高反射率。
金刚石表面刻蚀的纳米结构
为了对其进行实验测试，研究团队与宾夕法尼亚州立大学应用研究实验室（该实验室是国防部指定的美国海军大学附属研究中心）进行了相关合作。研究人员将10 kW的激光聚焦在3 mm×3 mm的金刚石表面（其光斑仅为750 μm），如此庞大的能量足以烧穿钢铁，但却并没有对金刚石反射镜造成损伤。
研究人员表示，这种高功率的反射镜可以在未来应用于国防、半导体制造、工业制造和深空通信等多个领域，该方法也可用于熔融石英等较便宜的材料。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-022-30335-2
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