Блог

Aug 08, 2023

Алмаз и лазеры: мощная комбинация

Поскольку рынки фотоники стимулируют развитие все более высоких мощностей для целого ряда лазерных систем, традиционные лазерные материалы все чаще сталкиваются с трудностями при работе с высокой плотностью оптической мощности.

Поскольку рынки фотоники стимулируют развитие все более высоких мощностей для ряда лазерных систем, традиционные лазерные материалы все чаще сталкиваются с проблемой высокой плотности оптической мощности и большого количества отходящего тепла. Нужны новые решения.

Давно известно, что алмаз обладает исключительными свойствами в ряде областей: от низкого поглощения на ряде ключевых длин волн, самой высокой теплопроводности среди всех сыпучих материалов до превосходных механических свойств, однако из исторических источников было трудно получить высококачественные алмазы. материалы с надежно большими размерами. Синтетический алмаз высокого давления и высокой температуры (HPHT) доступен уже более пятидесяти лет, однако его свойства и доступные размеры ограничивают его применение в приложениях, выходящих за рамки механического применения.

Чистота процесса на протяжении многих лет позволяла использовать его в различных сферах благодаря высокому качеству и доступности в больших размерах...

Альтернативный метод изготовления поликристаллических и монокристаллических алмазов, который устраняет некоторые ограничения, — это химическое осаждение из паровой фазы (CVD), которое за последние 15 лет становится все более коммерчески жизнеспособным. В этом процессе газы, содержащие частицы углерода в объемном носителе водорода, нагреваются микроволнами до температур, превышающих 2000 К. При тщательном контроле параметров системы и качества сырья этот метод позволил получить алмаз исключительно высокой чистоты, например, фоновые уровни азотных дефектов в монокристаллическом алмазе составляют менее 5 частей на миллиард, а диаметр поликристаллического материала - до 140 мм. Чистота процесса на протяжении многих лет позволила использовать его в различных приложениях благодаря его высокому качеству и доступности больших размеров, включая оптические окна высокой мощности, окна для широкополосной инфракрасной спектроскопии, распределители тепла для полупроводниковой промышленности, проводящие электроды, легированные бором, и гиротронные окна для развития термоядерной энергии.

Алмаз имеет широкую запрещенную зону 5,45 эВ, что означает, что коротковолновая граница алмаза составляет около 230 нм, в то время как материал в значительной степени прозрачен в микроволновой области из-за симметрии связи. Поэтому оптические приложения охватывают широкий диапазон длин волн, что позволяет различным лазерным системам использовать высокую теплопроводность алмаза различными способами.

Наиболее развитым оптическим применением CVD-алмазов высокой чистоты является выходной преобразователь CO2-лазеров, причем эти детали продаются уже более 15 лет. Совсем недавно, когда плотность мощности в системах стала выше, части канала луча 10,6 мкм, такие как светоделители и линзы, можно было изготавливать из алмаза. Приложение опирается на четыре ключевых свойства:

Конечно, следует отметить, что в некоторых случаях поликристаллическая природа оптического элемента ограничивает его использование; однако кубическая структура алмаза позволяет свести к минимуму влияние различных ориентаций кристаллов в пленке на характеристики. Однако в некоторых приложениях на более коротких волнах двойное лучепреломление и рассеяние, типичные для поликристаллического алмаза, ограничивают эффективность, и требуются монокристаллические решения.

С момента изобретения тонкодискового лазера в 1990-х годах он стал излюбленным инструментом для увеличения плотности мощности от данного усиливающего материала. От мощных режущих лазеров из систем на основе YAG до более высоких мощностей на труднодоступных длинах волн от полупроводниковых усиливающих материалов в вертикальной установке поверхностно-излучающего лазера с внешним резонатором (VECSEL), алмаз обеспечивает превосходное качество луча при высокой мощности благодаря аксиальному тепловому потоку. через короткое измерение в радиатор.

Благодаря высокой теплопроводности поликристаллический алмаз уже давно используется в качестве распределителя тепла снаружи полости в этих системах; однако по мере увеличения плотности мощности даже алмазного охлаждения на задней стороне усиливающего материала и стопки зеркал оказывается недостаточно, и качество луча падает. Исторически двойное лучепреломление и рассеяние поликристаллического алмаза ограничивали его использование в резонаторах коротковолновых лазеров (обычно работающих около 1 мкм).