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Ciencia & Tec

Construyen espejos de diamantes para láseres de alta potencia


Para probar el espejo con un láser de alta potencia, el equipo recurrió a colaboradores del Laboratorio de Investigación Aplicada de la Universidad Estatal de Pensilvania,

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Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS) han construido un espejo con uno de los materiales más fuertes del planeta: el diamante.

Hoy en día, la mayoría de los espejos que se utilizan para dirigir el haz en los láseres de onda continua (CW) de alta potencia se fabrican superponiendo capas finas de materiales con diferentes propiedades ópticas. Pero si hay un pequeño defecto en cualquiera de las capas, el poderoso rayo láser se quemará y hará que todo el dispositivo falle. Si se pudiera hacer un espejo con un solo material, reduciría significativamente la probabilidad de defectos y aumentaría la vida útil del láser.

Afrontando el reto, al grabar nanoestructuras en la superficie de una lámina delgada de diamante, el equipo de investigación de SEAS construyó un espejo altamente reflectante que soportó, sin daños, los experimentos con un láser de la Marina de Estados Unidos de 10 kilovatios.

«Nuestro enfoque de espejo de un solo material elimina los problemas de tensión térmica que son perjudiciales para los espejos convencionales, formados por pilas de múltiples materiales, cuando se irradian con grandes potencias ópticas», dijo en un comunicado Marko Loncar, profesor de ingeniería eléctrica de Tiantsai Lin en SEAS y autor principal del artículo. «Este enfoque tiene potencial para mejorar o crear nuevas aplicaciones de láseres de alta potencia».

La investigación se publica en Nature Communications.

El Laboratorio de Óptica a Nanoescala de Loncar desarrolló originalmente la técnica para grabar estructuras a nanoescala en diamantes para aplicaciones en óptica cuántica y comunicaciones.

Usando esta técnica, que utiliza un haz de iones para grabar el diamante, los investigadores esculpieron una serie de columnas en forma de tee de golf en la superficie de una hoja de diamante de 3 milímetros por 3 milímetros. La forma de los tees de golf, ancha en la parte superior y delgada en la parte inferior, hace que la superficie del diamante sea reflectante en un 98,9 %.

«Puedes hacer reflectores que sean 99,999 % reflectantes, pero que tengan de 10 a 20 capas, lo que está bien para un láser de baja potencia, pero ciertamente no sería capaz de soportar altas potencias», dijo Neil Sinclair, científico investigador de SEAS y co-autor del artículo.

Para probar el espejo con un láser de alta potencia, el equipo recurrió a colaboradores del Laboratorio de Investigación Aplicada de la Universidad Estatal de Pensilvania, un Centro de Investigación Afiliado a la Universidad de la Marina de los EE.UU. designado por el Departamento de Defensa.

Allí, en una habitación especialmente diseñada que está cerrada con llave para evitar que niveles peligrosos de luz láser se filtren y cieguen o quemen a las personas en la habitación contigua, los investigadores colocaron su espejo frente a un láser de 10 kilovatios, lo suficientemente fuerte como para atravesar el acero. El espejo salió ileso.

«El atractivo de esta investigación es que teníamos un láser de 10 kilovatios enfocado en un punto de 750 micrones en un diamante de 3 por 3 milímetros, que es mucha energía enfocada en un punto muy pequeño, y no lo quemamos», dijo Haig Atikian, investigador postdoctoral y primer autor del trabajo. «Esto es importante porque a medida que los sistemas láser consumen cada vez más energía, es necesario encontrar formas creativas de hacer que los componentes ópticos sean más robustos».

En el futuro, los investigadores prevén que estos espejos se utilicen para aplicaciones de defensa, fabricación de semiconductores, fabricación industrial y comunicaciones en el espacio profundo. El enfoque también podría usarse en materiales menos costosos, como la sílice fundida.

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