Monolithic Multifocal Diamond Metalens for High-Power Laser Systems

想象一下，你正在为一场派对准备制作一个巨大的披萨。你可以使用一个微小的烤箱，但那会花很长时间。于是，你决定使用一群微小且超快速的烤箱，同时烹饪整个披萨。这就是制造和科学领域中“高功率激光系统”的梦想：他们不想只在一种材料上烧出一个洞，而是希望能够同时切割、钻孔或焊接许多个点，以提高工作效率。但问题在于：这些激光烤箱的热量极高。如果你尝试用一个标准的玻璃透镜来聚焦所有的能量，玻璃就像海绵一样会吸收热量，导致变形并最终熔化。这就像是用冰块去拿一个喷火枪；它们根本无法承受那种温度。科学家们一直在寻找一种既像钻石一样坚硬，又像金属一样擅长传导热量的材料，以便制造出不会在极端光照压力下熔化的透镜。

正是由于这一点，来自西湖大学及其合作伙伴的研究团队出手了。他们决定用地球上最硬的材料——单晶钻石来制造透镜。但他们不仅仅是做了一个简单的放大镜；他们设计了一个“超构透镜”（metalens），这是一种扁平的、超薄的表面，上面覆盖着微小的柱状结构，这些结构就像一队微型交警，精确地引导着光束。该团队创造了一个“单体式”（意味着它是一个整体）钻石透镜，它可以同时将强激光分成两束。他们将其与标准商业透镜进行了对比测试，发现当玻璃透镜变热、变形并失去焦距时，钻石透镜依然保持凉爽、稳定且清晰。他们甚至用高达 8.25 kW 的强力激光对其进行轰击，这种功率足以在秒级时间内熔化玻璃透镜，而钻石却纹丝不动。这项工作表明，我们终于有了方法来制造出体积更小、更简单且足够坚韧的激光工具，以应对工业制造中的极端热量。

不熔透镜的故事

问题：熔化的玻璃
把高功率激光想象成一条纯能量的河流。当你想要切穿像碳化硅（一种用于电子设备的超硬陶瓷）这样坚硬的材料时，你需要大量的“水”——或者说能量。但当这些能量撞击到透镜时，其中一部分会被吸收为热量。在普通的玻璃透镜中，热量会像密闭水壶里的蒸汽一样积聚。玻璃会膨胀、变形，导致焦点发生偏移，就像你试图瞄准水管，但喷嘴却在手中扭转变形一样。为了解决这个问题，工程师通常会将笨重的反射镜和特殊的玻璃片堆叠在一起，但这些组件不仅沉重、难以对齐，而且在功率过高时仍然难以应对。

解决方案：钻石超级透镜
研究人员问道：“如果我们用钻石来制造透镜会怎样？”钻石以坚硬闻名，但它也是热传导方面的超级明星。它的导热能力比碳化硅高出约五倍，并且能如此迅速地扩散热量，以至于热量根本没有机会积聚并导致变形。团队雕刻了一个 7.2 毫米宽的钻石圆盘（大约有一枚大硬币大小），并在其表面蚀刻了数千个微小的截锥形柱。这些柱子非常微小（宽 500 纳米），以至于需要显微镜才能看到它们，但它们充当了光的精密方向盘。

这个“多焦点”超构透镜不仅仅是将激光聚焦到一个点，而是将光束分成两个独立的焦点，两者相距 200 微米。这使得激光可以同时切割两条线，从而使工作速度翻倍。柱子的形状是锥形的（底部宽，顶部窄），这让光线能够高效通过而不产生反射，实现了 90% 的透射率。

测试：热力大战
为了验证这个钻石透镜是否真的足够强韧，团队让它与配备分束器的标准商业透镜进行了一场“生死决斗”。他们用 25 瓦的激光连续照射了两者一小时。

• 商业透镜： 它开始升温，上升了 34.7°C。随着温度升高，它的焦点发生了剧烈漂移，移动了 121.9 微米。当他们尝试用它在碳化硅样品上切割凹槽时，切割深度发生了巨大变化，从 130.8 微米变为 449.9 微米。这就像是用一支墨水流向不断变化的笔在写字。
• 钻石透镜： 它几乎没有发热，仅上升了 9.0°C。因为保持了凉爽，它的焦点仅漂移了 25.5 微米。在切割同样的材料时，切割深度保持得极其一致，波动仅为 33.2 微米。这就像是一把永远不会失去掌控力的激光手术刀。

极端压力测试
但团队并没有止步于此。他们想看看钻石能否承受“核能级”的热量。他们将透镜暴露在功率为 8.25 kW 的连续波激光下，持续 30 秒。作为对比，他们测试了一个涂有二氧化钛的标准玻璃透镜。玻璃透镜在不到一秒钟内就熔化并失效了。而钻石透镜呢？它在完整的 30 秒内依然完好无损，没有可见的损伤，没有熔化，也没有结构坍塌。

他们还测量了破坏材料所需的能量（即激光诱导损伤阈值，LIDT）。钻石承受了 2.45 J/cm² 的能量，这几乎是碳化硅参考值（0.65 J/cm²）的四倍，并且远优于商业透镜（0.2 J/cm²）。

这意味着什么
这篇论文不仅展示了一个酷炫的钻石透镜，它还证明了我们可以制造出大型、扁平、透射式的钻石透镜，使其能够处理工业激光的极端热量。通过将钻石的硬度与超构透镜的智能设计相结合，研究人员创造了一种比现有任何工具都更小、更简单、更稳定的工具。虽然仍有工作要做——比如在透镜背面添加特殊涂层以防止光线从另一侧反射——但这项研究为新一代激光系统打开了大门，使其能够比以往更快、更热、更可靠地工作。它预示着，高功率制造的未来可能正由钻石书写。