CO2激光器是工业上常用的激光器之一,在加工、通信、雷达、化学分析、外科手术等领域有着重要应 用。随着 CO2激光器功率的提高,对输出窗口的要求越来越苛刻。
目前常用的窗口材料 ZnSe 、GaAs会在机械应力以及热应力的作用下,发生畸变或者破碎,导致窗口失效、损坏。高功率输出要求窗口必须具有高透过性、高热导率、热稳定性以及机械强度等综合性能。而高质量 CVD 金刚石抗激光( @ 10. 6 μm) 损伤峰值能量高达66 J/cm2 ,峰值功率可达12.7 MW/mm2,同时金刚石在10.6 μm 有较高的透过率、极高的热导率和优异的机械性能,这使得金刚石几乎能完美地匹配高功率 CO2激光器对窗口材料的需求。据报道,美国通用公司将金刚石膜做成大功率激光窗片,可承受高达 200 kW 的 CO2激光输出。
关于制备可应用于高功率 CO2激光器的 CVD 金刚石窗口的研究。首先使用环形天线-椭球谐振腔式 MPCVD 装 置沉积制备直径 2 英寸( 1 英寸 = 2.54 cm) 金刚石自支撑膜,然后将膜片双面抛光,激光切割成矩形基片,再采用蒸镀 法在基片表面制备中心波长在 10. 6 μm 的增透膜,最终制备得到金刚石光学窗口。采用傅里叶红外透射谱、热导仪、 爆破试验台测试了金刚石基片镀膜前后的红外透过率、热导率和爆破强度。利用自行搭建的光学平台,测试了 CVD 金刚石基片增透膜能承受的激光功率密度。结果显示 CVD 金刚石基片在 10.6 μm 处的透过率为 70.9% ,利用光谱计算的吸收系数为 0.06 cm-1 ,热导率> 19.5 W/( cm·K) ,爆破强度> 5.62 MPa,镀膜后的透过率为99.2% ,增透膜可承受的激光功率密度>995 W/mm2 。由此可见CVD 金刚石基 CO2激光器窗口性能良好,具备了在高功率 CO2激光器上应用的基础。
金刚石在激光器领域有广泛的应用,已作为封装材料、窗口片等的绝佳选择。化合积电专注于高品质金刚石材料的研发、生产和销售,现有核心产品金刚石热沉片、晶圆级金刚石、GaN on diamond 、Diamond on GaN、金刚石基氮化铝薄膜等产品。晶圆级金刚石生长面表面粗糙度Ra<1nm;金刚石热沉片热导率高达1000-2200W/m.k,技术指标皆达世界领先水平。目前,由化合积电提供的金刚石热沉封装的大功率半导体激光器,已经用于光通信,在激光二极管、功率晶体管、电子封装材料等领域也都有应用。