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2024
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01
CVD金刚石在高功率激光领域的应用
作者：
化学气相沉积（CVD）金刚石是通过化学气相沉积方法制备的人造金刚石，相较于高温高压（HPHT）金刚石，CVD金刚石纯度高、质量好、体积大，性能稳定可控。CVD金刚石具有宽光谱透射性、低热膨胀系数、高机械强度，高耐热冲击热性，低散射，高激光诱导损伤阈值，低吸收，高拉曼增益系数和高导热性等优异特性，因此在高功率激光领域具有广泛的应用前景。
化学气相沉积（CVD）金刚石是通过化学气相沉积方法制备的人造金刚石，相较于高温高压（HPHT）金刚石，CVD金刚石纯度高、质量好、体积大，性能稳定可控。CVD金刚石具有宽光谱透射性、低热膨胀系数、高机械强度，高耐热冲击热性，低散射，高激光诱导损伤阈值，低吸收，高拉曼增益系数和高导热性等优异特性，因此在高功率激光领域具有广泛的应用前景。
首先，金刚石的透射光谱范围覆盖从紫外、可见光、红外至无线电波范围。金刚石还具有超宽的禁带宽度，其大禁带避免了金刚石晶体在高温下热产生的电荷载流子，即使在非常高的温度和辐射强度下，金刚石仍然可以保持高透明度。金刚石的热导率可高达2000 W/（m·K），极高的热稳定性也使得金刚石能够在高温、高强度的严苛工作条件下呈现优异的性能。因此，利用金刚石作为散热器、透射窗口、反射窗口、分束器可使得激光器在高功率下保持相当高的性能水平稳定运行。
其次，金刚石有着已知拉曼晶体中的拉曼频移量（1332.3cm-1）和拉曼增益系数（1μm波段增益系数高达10cm/GW）,是一种光学性能优异的拉曼晶体材料。金刚石的拉曼增益线宽较窄，约为45GHz。金刚石的通光范围极宽，从紫外（230nm）至远红外（100μm）均具有较高的透射率。此外，金刚石还具有其他任何晶体材料都无法比拟的超高热导率，并且其热光系数适中（15×10−6K−1），系数小（1.1×10−6K−1），因此在高功率运转的拉曼谐振腔中金刚石晶体的热透镜效应较弱。基于这些优异性能，金刚石晶体是高功率、窄线宽、特殊波长拉曼激光器的理想增益介质。
金刚石不仅仅是拉曼激光器的理想增益介质。与其他固体布里渊增益材料相比较，金刚石布里渊增益系数数值（79±12）虽低于声光晶体TeO2（100cm/GW），但远高于目前常用的波导和微腔所采用的布里渊材料硅（0.24 cm/GW）以及CaF2（4.11 cm/GW），且与常用的硫族化合物材料As2S3（74 cm/GW）相当。再结合金刚石固有的宽光谱透过范围和优异的热性能，金刚石晶体有望获得高功率、极窄线宽的布里渊激光输出，并具备实现多波长布里渊激光输出及高集成度光子器件的潜力。
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