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金刚石是激光器的最佳拍档!

发表时间:2022-01-17 17:07作者:化合积电网址:http://www.csmc-semi.com

激光是20世纪与计算机、原子能和半导体齐名的四项重要发明之一,其在工业、农业、国防、医学、科研、日常生活等诸多领域应用越来越广泛,进入了飞速发展期。随着激光功率及能量越来越高,激光器朝着小型化、集成化发展,需要面临在功率提升过程中激光工作物质加剧的热积累所引发的热透镜、热致双折射、光束畸变以及光谱展宽等负面效应。


金刚石拥有已知材料中最高的热导率、低的热膨胀系数、高度的化学惰性及优异的光学性能,使其能够在机械、光学和材料学等领域满足诸多极端条件的应用需求,这为金刚石在激光器中的应用提供了卓越的优势。


当激光器遇上金刚石,将成为最佳拍档

金刚石在工业及科研领域的应用


目前金刚石已被广泛用于热管理、光学窗口、抛光研磨和电离辐射探测等领域;此外,结合其独特的非线性光学特性,金刚石激光器在拉曼和布里渊激光领域展现出极为突出的优势,为高功率激光的发展提供了新的机遇。


人们已经利用金刚石实现了波段从深紫外到可见光、近红外和中红外的拉曼转换,稳态功率高达千瓦量级,时域上实现了从连续波至飞秒脉冲的运转,频域上获得了单纵模输出;拉曼振荡器结构从传统的空间块状拓展至片上和单片式;同时,也通过金刚石拉曼放大实现了高功率光束合成。此外,近几年人们利用金刚石的布里渊特性,已经分别实现了可见光和近红外波段的自由空间布里渊激光运转,其功率是其他布里渊增益介质和激光运转方式的 10 倍以上。


金刚石是激光器的绝佳拍档


1 金刚石晶体原子结构


金刚石由原子序数为六的碳元素组成 (化学符号:C,第二周期 IVA 族)。金刚石的原子结构如图所示,其每一个碳原子与另外四个相邻的碳原子共价键合,每四个相邻碳原子构成一个正四面体。因为这样的稳定结构,使得金刚石具有极强的硬度、超高的热导率以及极不活泼的化学性质。


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金刚石晶体原子结构图


2 金刚石的投射光谱范围广

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,最初被用作显微镜的高折射率材料和极端环境下的红外透射窗口。金刚石的本征光学性质由其在深紫外的禁带宽度决定,其截止波长为 225 nm (5.5 eV);其中在2.5 至 6 μm 间有微弱的吸收,主要由其声子带吸收决定。

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金刚石晶体透射光谱范围 (未镀膜)


3 金刚石超宽禁带,在高温和强辐射下保持透明

金刚石是一种超宽禁带半导体材料,其禁带宽度为5.5 eV,其拥有大禁带避免了金刚石晶体在高温下热产生的电荷载流子,因此,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。

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半导体材料的主要特性


4 金刚石拥有超高热导率,高达 2200 W/(m·K)

金刚石具有超高热导率,其热导率可高达2200W/(m·K),比光学玻璃高1400多倍,是常用激光晶体YAG的140多倍,比同处于第四族的单晶硅也高出近13倍。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,因此广泛应用于材料冷却等领域。

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金刚石和各种导热材料的热性能


5 金刚石高原子密度和强键合特性

因为金刚石内部碳原子的高原子密度和强键合特性,结合高度对称的晶格结构,使其具有高拉曼增益;同时,高折射率和高声波传输速度使之具有高布里渊增益和布里渊频移。因此,金刚石晶体能够为高功率和高效率的拉曼和布里渊激光运转提供新的载体。

当激光器遇上金刚石,将成为最佳拍档

金刚石与其他拉曼增益材料的参数对比

当激光器遇上金刚石,将成为最佳拍档

金刚石与其他固体布里渊增益材料的参数对比


金刚石在激光器的应用,特别是高功率激光器的技术不断成熟,使其已经成为改造和提升传统产业的“利器”。在装备制造业、汽车工业、医学、农业、能源、光学、航天等诸多行业和领域中,突破性研究仍在进行。未来,金刚石+激光器还将被应用于更广泛的领域,一起为激光产业发展跃上新的台阶贡献力量!


化合积电(厦门)半导体科技有限公司成立于2020年,是一家专注于第三代(宽禁带)半导体衬底材料和器件研发、生产和销售的高科技企业,致力于成为全球领先的宽禁带半导体材料和器件公司,核心产品是晶圆级金刚石热沉片金刚石基氮化镓外延片氮化铝薄膜和压电材料等。


公司具备MPCVD设备设计能力,国内率先掌握MPCVD制备高质量金刚石的核心工艺并实现量产, 并且独创金刚石原子级表面高效精密加工方法,引领全球将金刚石热沉片表面粗糙度从数十微米级别降低至1nm以下,达到半导体级应用标准。采用金刚石热沉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。


基于晶圆级的金刚石产品能力,公司开发出了金刚石基氮化镓外延片,主要应用在射频(卫星、5G基站)与高功率器件(光伏、风力发电、新能源车、储能)等对热管理需求高的领域,作为碳化硅基氮化镓材料的补充。


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