Des miroirs en diamant pour faisceaux lasers de puissance

Les lasers de forte puissance trouvent leur utilité dans de nombreux domaines : dans l’industrie avec la soudure et le découpage de matériaux, en chirurgie, dans les communications, dans l’extraction minière et même en physique pour la spectroscopie atomique et moléculaire.

Les faisceaux lumineux de ces lasers doivent passer par des systèmes optiques pour diriger leur lumière  jusqu’à leur cible. Les miroirs utilisés  doivent donc supporter une forte puissance.

Les miroirs habituellement utilisés sont constitués d’une superposition de couches évaporées de matériaux d’indices de réfraction judicieusement choisis.

Malheureusement tout défaut ou imperfection à une interface entraîne une absorption de chaleur qui, peu à peu, abîme le miroir et le rend inutilisable.

 

Des chercheurs de Harvard University, Cambridge, USA, California Institute of Technology, Pasadena, USA, Pennsylvania State University, Freeport, USA, University of Science and Technology of China, Hefei, Anhui, China et Naval Surface Warfare Center, Dahlgren, USA ont créé, à partir d’une couche monolithique de diamant usinée à l’échelle nanométrique, des miroirs qui résistent parfaitement à la lumière de lasers haute puissance utilisés en continu.

La structure des nouveaux miroirs

Ce type de miroir est constitué d’un réseau plan de  colonnes

en forme de « tees de golf »(Fig.1.a) qui sont découpées dans une couche de diamant.

La Fig.1.b représente, pour comparaison, un miroir classique multicouches.

En ajustant la géométrie de chaque colonne du réseau, on contrôle les propriétés du miroir ( Fig.1.c). On peut  ainsi faire varier l’angle a et les rayons indiqués sur la Fig.1.c ainsi que le pas du réseau.

La haute réflectivité de la structure est due à la résonance dans chaque microcavité entourant une colonne. Celle-ci est due à des modes de résonance latéraux .

Si le profil des colonnes est bien choisi, en fonction de l’angle d’incidence de la lumière et de la longueur d’onde, les faisceaux lumineux transmis dans la structure interfèreront de façon destructive, ce qui entraînera une réflexion presque parfaite. Cela est visible sur la Fig.1.e ou la phase du front d’onde est uniforme.

D’autre part la grande conductivité thermique du diamant (5 fois celle du cuivre) permet une facile évacuation de la chaleur due à la faible quantité de  lumière transmise.

Fig.1. Représentation et simulation du miroir en diamant monocristallin. a) Dessin du miroir en diamant formé de colonnes de "tee de golf" arrangées en réseau. b) Miroir "classique" fait de multicouches disposées sur un substrat. c) Schéma d'une colonne en "tee de golf" avec ses dimensions caractéristiques. d)Spectre de réflexion du miroir en incidence normale pour divers angles  et rdisc = 250 nm, rmin = 50 nm, rsupport = 250 nm, pas = 1,1 µm et h = 3 µm. La réflectivité est indiquée par la gamme de couleurs. e)Simulation du diagramme des ondes stationnaires dues au miroir en diamant pour une longueur d'onde de 1064 nm. Les couleurs indiquent l'amplitude du champ électrique. Crédit photos a et b, P. Latawiec, Harvard. Tiré de Diamond mirrors for high-power continuous-wave lasers Haig A. Atikian , Neil Sinclair, Pawel Latawiec , Xiao Xiong, Srujan Meesala , Scarlett Gauthier , Daniel Wintz, Joseph Randi, David Bernot, Sage DeFrances, Jeffrey Thomas, Michael Roman, Sean Durrant, Federico Capasso & Marko Lončar NATURE COMMUNICATIONS | (2022) 13:2610 | Creative Common Attribution 4.0

Fig.1. Représentation et simulation du miroir en diamant
monocristallin.
a) Dessin du miroir en diamant formé de colonnes en  « tee de
golf » arrangées en réseau.
b) Miroir « classique » fait de multicouches disposées sur un
substrat.
c) Schéma d’une colonne en « tee de golf » avec ses dimensions
caractéristiques.
d) Spectre de réflexion du miroir en incidence normale pour
divers angles  et rdisc = 250 nm, rmin = 50 nm,
rsupport = 250 nm, pas = 1,1 µm et h = 3 µm. La réflectivité est
indiquée par la gamme de couleurs.
e)Diagramme obtenu par simulation des ondes stationnaires dues au
miroir en diamant pour une longueur d’onde de 1064 nm. L’origine des ordonnées (0) correspond à la surface du miroir.
Les couleurs indiquent l’amplitude du champ électrique.
Crédit photos a et b, P. Latawiec, Harvard.
Tiré de Diamond mirrors for high-power continuous-wave lasers Haig A. Atikian , Neil Sinclair, Pawel Latawiec , Xiao Xiong, Srujan Meesala , Scarlett Gauthier , Daniel Wintz, Joseph Randi, David Bernot, Sage DeFrances, Jeffrey Thomas, Michael Roman, Sean Durrant, Federico Capasso & Marko Lončar
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Fabrication du miroir

 

La réalisation des structures nanométriques en colonnes de tee est obtenue par usinage ionique effectué d’une manière nouvelle. Au lieu des gaz neutres nobles habituellement utilisés, c’est de l’oxygène qui est ionisé et attaque un monocristal de diamant de 3 mm x 3mm obtenu par dépôt de vapeur.

Le faisceau d’ions est d’abord perpendiculaire à la surface du diamant sur lequel on a déposé un masque délimitant les pastilles du réseau. Puis on incline l’échantillon et, en le faisant tourner, on obtient la forme en tee désirée. En recommençant l’opération après translation du miroir, on traite successivement toute la surface de celui-ci.

La Fig. 2 ci-dessous résume la méthode.

Fig.2. Usinage ionique réactif. Schéma de la fabrication du miroir. Etapes de la fabrication (i) attaque perpendiculaire du diamant monté sur un support rotatif. (ii) Le support est incliné. Ceci donne un angle aigu entre le faisceau d'ions et la surface du diamant et permet d'attaquer sous le masque (iii) La suppression du masque dégage les nanostructures du substrat. Tiré de Diamond mirrors for high-power continuous-wave lasers Haig A. Atikian , Neil Sinclair, Pawel Latawiec , Xiao Xiong, Srujan Meesala , Scarlett Gauthier , Daniel Wintz, Joseph Randi, David Bernot, Sage DeFrances, Jeffrey Thomas, Michael Roman, Sean Durrant, Federico Capasso & Marko Lončar NATURE COMMUNICATIONS | (2022) 13:2610 | Creative Common Attribution 4.0

Fig.2. Usinage ionique réactif.
Schéma de la fabrication du miroir.
Etapes de la fabrication :
(i) attaque perpendiculaire du diamant
monté sur un support rotatif.
(ii) Le support est incliné. Ceci donne
un angle aigu entre le faisceau d’ions et
la surface du diamant et permet d’attaquer sous le masque
(iii) La suppression du masque dégage les nanostructures du
substrat.
Tiré de Diamond mirrors for high-power continuous-wave lasers Haig A. Atikian , Neil Sinclair, Pawel Latawiec , Xiao Xiong, Srujan Meesala , Scarlett Gauthier , Daniel Wintz, Joseph Randi, David Bernot, Sage DeFrances, Jeffrey Thomas, Michael Roman, Sean Durrant, Federico Capasso & Marko Lončar
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α

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La figure 3 ci-dessous schématise diverses étapes du procédé de fabrication et montre des photographies de la surface du miroir terminé obtenues par optique (b) et par microscopie électronique à balayage (c et d).

Fig.3. Fabrication de surface du diamant et images du miroir. a) Schéma de l'attaque avec angle du faisceau d'ions réactifs : (i) un masque est imprimé sur la surface du diamant. (ii) Attaque du diamant monté perpendiculairement au faisceau ionique. (iii) L'échantillon est incliné durant l'attaque pour obtenir l'angle  par rapport à l'axe du faisceau et attaquer ainsi uniformément sous le masque. (iv) La dissolution du masque révèle une suite de nanostructures 3D au dessous de la surface du diamant. b) Image optique du miroir usiné sur un monocristal de diamant 4,2 mm x 1,2 mm. Chaque division de la règle vaut 1 mm. Crédit photo H.A.Atikian, Harvard. c) Image en microscopie électronique à balayage (MEB) du miroir diamant pris à 60° de la normale. d) Image MEB zoomée du miroir pris à 40° de la normale. Tiré de Diamond mirrors for high-power continuous-wave lasers Haig A. Atikian , Neil Sinclair, Pawel Latawiec , Xiao Xiong, Srujan Meesala , Scarlett Gauthier , Daniel Wintz, Joseph Randi, David Bernot, Sage DeFrances, Jeffrey Thomas, Michael Roman, Sean Durrant, Federico Capasso & Marko Lončar NATURE COMMUNICATIONS | (2022) 13:2610 | Creative Common Attribution 4.0 Avec un tel miroir, on a obtenu une réflectivité de 98,9  0,3 % à une longueur d'onde de 1064 nm. De tels miroirs montés sur un support refroidi à 18°par circulation d'eau ont pu supporter durant 30 secondes des faisceaux laser de 10 kW de puissance sans présenter aucun dommage. Notons qu'avec des miroirs diélectriques, on est obligé d'agrandir le faisceau par un expanseur avant d'attaquer un miroir et il faut refocaliser le faisceau après celui-ci. Avec les miroirs diamant, on peut au contraire utiliser des faisceaux fins de 750 µm de diamètre sans créer aucun dommage. Les chercheurs ont donc réalisé des miroirs hautement réflectifs en diamant monolithique qui peuvent supporter d'être irradiés par des lumières laser de grande puissance allant jusqu'à 10 kW en régime continu. Ceci est irréalisable avec les miroirs diélectriques qiui sont détruits par de telles puissances lumineuses. Pour en savoir plus : Diamond mirrors for high-power continuous-wave lasers Haig A. Atikian , Neil Sinclair, Pawel Latawiec , Xiao Xiong, Srujan Meesala , Scarlett Gauthier , Daniel Wintz, Joseph Randi, David Bernot, Sage DeFrances, Jeffrey Thomas, Michael Roman, Sean Durrant, Federico Capasso & Marko Lončar NATURE COMMUNICATIONS | (2022) 13:2610 Creative Common Attribution 4.0

Fig.3. Fabrication de surface du diamant et images du miroir.
a) Schéma de l’attaque avec angle du faisceau d’ions réactifs : (i) un masque est imprimé sur la surface du diamant. (ii) Attaque du diamant monté perpendiculairement au faisceau ionique. (iii) L’échantillon est incliné durant l’attaque pour obtenir l’angle alpha par rapport à l’axe du faisceau et attaquer ainsi uniformément sous le masque. (iv) La dissolution du masque révèle une suite de nanostructures 3D au dessous de la surface du diamant.
b) Image optique du miroir usiné sur un monocristal de diamant 4,2 mm x 1,2 mm. Chaque division de la règle vaut 1 mm. Crédit photo H.A. Atikian, Harvard.
c) Image en microscopie électronique à balayage (MEB) du miroir diamant pris à 60° de la normale.
d) Image MEB zoomée du miroir pris à 40° de la normale.
Tiré de Diamond mirrors for high-power continuous-wave lasers Haig A. Atikian , Neil Sinclair, Pawel Latawiec , Xiao Xiong, Srujan Meesala , Scarlett Gauthier , Daniel Wintz, Joseph Randi, David Bernot, Sage DeFrances, Jeffrey Thomas, Michael Roman, Sean Durrant, Federico Capasso & Marko Lončar
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Avec un tel miroir, on a obtenu une réflectivité de 98,9  0,3 % à une longueur d’onde de 1064 nm.
De tels miroirs montés sur un support refroidi à 18°par circulation d’eau ont pu supporter durant 30 secondes des faisceaux laser de 10 kW de puissance sans
présenter aucun dommage.
Notons qu’avec un miroir diélectrique, on est obligé d’agrandir le faisceau par un expanseur avant d’attaquer le miroir et de le refocaliser  après celui-ci. Avec les miroirs diamant, on peut au contraire utiliser des faisceaux fins de 750 µm de diamètre sans créer aucun dommage.
Les chercheurs ont donc réalisé des miroirs hautement réflectifs en diamant monolithique qui peuvent supporter d’être irradiés par des lumières laser de grande puissance allant jusqu’à 10 kW en régime continu. Ceci est irréalisable avec les miroirs diélectriques qiui sont détruits par de telles puissances lumineuses.
Pour en savoir plus :
Diamond mirrors for high-power continuous-wave lasers Haig A. Atikian , Neil Sinclair, Pawel Latawiec , Xiao Xiong, Srujan Meesala , Scarlett Gauthier , Daniel Wintz, Joseph Randi, David Bernot, Sage DeFrances, Jeffrey Thomas, Michael Roman, Sean Durrant, Federico Capasso & Marko Lončar
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Avec ce système, on a obtenu une réflectivité de 98,9 ± 0,3 % à une longueur d’onde de 1064 nm.

De tels miroirs montés sur un support refroidi à 18°par circulation d’eau ont pu supporter durant 30 secondes des faisceaux laser de 10 kW de puissance sans présenter aucun dommage.

Notons qu’avec un  miroir diélectrique, on est obligé d’agrandir le faisceau pour réduire sa densité d’énergie au moyen d’un expanseur avant d’attaquer le miroir et il faut refocaliser le faisceau après celui-ci. Avec les miroirs diamant, on peut au contraire utiliser des faisceaux fins de 750 µm de diamètre sans  aucun problème.

 

 

 

Les chercheurs ont donc  réalisé des miroirs hautement réflectifs en diamant monolithique qui peuvent supporter d’être irradiés par des lumières laser de grande puissance allant jusqu’à 10 kW en régime continu. Ceci est irréalisable avec les miroirs diélectriques qui sont détruits par de telles puissances lumineuses.

 

 

Pour en savoir plus :

Diamond mirrors for high-power continuous-wave lasers Haig A. Atikian , Neil Sinclair, Pawel Latawiec , Xiao Xiong, Srujan Meesala , Scarlett Gauthier , Daniel Wintz, Joseph Randi, David Bernot, Sage DeFrances, Jeffrey Thomas, Michael Roman, Sean Durrant, Federico Capasso & Marko Lončar
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