光学级金刚石材料的合成及其光学特性研究进展

发布时间：2025-06-13 16:29:34 | 浏览量： 7次

金刚石因其独特的碳原子四面体排列结构赋予其优异的力学、电学、热导、声学及化学稳定性。在光学性能方面，金刚石的宽光谱透过范围和独特的非线性光学特性使其备受关注。然而，天然金刚石的开采成本高、尺寸受限且杂质含量不可控，限制了其应用空间，自20世纪中叶以来，科研界致力于开发大尺寸、高纯度的光学级金刚石晶体，其核心挑战在于精准调控晶体缺陷密度与杂质含量。




光学级金刚石展现出极宽光谱透过特性，尽管在2.6-6.2 μm波段存在微量红外晶格吸收损耗，但在227 nm（对应5.47 eV光子能量）以上的紫外至远红外波段均保持卓越的高透射性能。该材料独特的晶体结构赋予其1332.3 cm⁻¹的已知最大拉曼频移值，在室温条件下可实现仅约1.5 cm⁻¹的超窄拉曼增益线宽。特别值得注意的是，当泵浦光偏振方向与金刚石晶体<111>晶轴平行时，能可实现最大拉曼增益系数的线偏振拉曼光。金刚石还拥有高布里渊增益系数和大布里渊频移，展现出作为布里渊增益介质的独特优势。表1总结了金刚石优异的光学性质。



具有低双折射水平和低吸收系数的光学级金刚石晶体有着更为出色的光学性能。图1为两个具有不同双折射水平的化学气相沉积（CVD）金刚石样品双折射显微照片。双折射水平和吸收系数主要受位错密度和杂质含量影响。近年来，减少位错的方法主要集中在如何增强位错反应（增加外延膜厚度，离轴衬底生长）和去除位错（外延横向生长，图案成核生长）。而杂质含量主要受气体纯度、腔室洁净度和漏率控制。在保持高纯度的气源和沉积环境条件下，优化生长参数可有效降低杂质含量。



高温高压法与化学气相沉积（CVD）技术合成的金刚石晶体因表面粗糙度较高，直接限制了其在精密领域的工程化应用，必须通过纳米级精密抛光工艺实现表面形貌优化。特别在光学器件领域，采用镀制增透膜层与构建亚波长量级减反射微纳结构的复合加工方案，可有效抑制界面菲涅尔反射效应引发的光能损耗，显著提升金刚石光学元件在全波段范围内的透射性能。这种表面功能化处理技术已成为拓展金刚石材料光学应用边界的关键制约因素，其工艺成熟度直接决定了光学级金刚石从实验室制备到产业化应用的转化效能。图2展示了金刚石从生长、加工到最终应用的整个流程。



在本篇综述论文中，作者全面梳理了光学级金刚石的特性，介绍和比较了金刚石晶体不同合成方法，并着重探讨了位错密度和杂质含量对于其光学性能的影响。文章还介绍了金刚石加工工艺，通过抛光、镀膜、微结构加工和色心制备，金刚石晶体将迈向更加成熟的应用，满足极端条件下不同光学应用需求。随着合成技术的不断进步，未来有望实现更大尺寸、更高纯度的金刚石晶体的制备，这不仅将推动材料科学的进一步发展，还将极大地拓展光学级金刚石在激光技术、量子光学等领域的应用范围，为光学技术的创新和突破开辟新的道路。




相关成果以"Optical-grade diamond: characteristics, synthesis, and recent research progress"为题发表于Functional Diamond期刊，为光学材料领域提供了重要技术参考。




关于碳方程




碳方程，主要从事第三、四代半导体材料专用设备的研发与制造，其核心业务为金刚石半导体材料所需的MPCVD长晶设备的研发与生产。公司致力于完善金刚石大尺寸材料的加工工艺及相关配套设备，旨在实现核心设备的自主化与产业化，以推动整个行业的快速发展。



截止目前，公司已成功研发出6KW/10KW/15KW等MPCVD长晶设备并大批量应用于金刚石行业，与此同时，公司在技术创新上持续深耕，2024年已顺利推出915MHZ MPCVD设备，并小批量出货。


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