单晶金刚石对拉曼激光的助力

自从西奥多·哈罗德·梅曼在1960年使用闪光泵浦合成红宝石晶体产生了世界上的第一束相干光以来，光学增益介质的开展就成为这一领域科研研究和工程应用的关键。然而，传统的产生相干光的办法是在激光介质中实现 粒子数反转(population inversion) 。更加具有创新性的办法，如拉曼激光，自从出现之后，该技术具有允许对激光进行调制，尤其是对高功率密度的激光进行调制的优点。

梅曼及其第一台激光器

纪念激光诞生60周年

金刚石拉曼晶体在532nm的泵浦 条件下实现573nm一阶斯托克斯

拉曼激光在于利用 受激拉曼散射 来将激光以一定的频率，这一频率接近材料的频率，传输到增益介质中。在高功率密度的时候，泵浦拉曼晶体腔可以实现频率变换、级联以及放大等，这是因为拉曼激光的增益取决于泵浦的强度以及拉曼晶体材料的增益系数。

增益介质的晶格结构是同拉曼激光非常相关的，这是因为它表示着可行的振动模式和吸收。晶格结构对取得M2提纯效应是非常关键的，此时晶体在低空间质量光束 的晶体泵浦中取得更加高质量的空间光束质量是非常重要的。

微波等离子体辅助CVD金刚石沉积室 的示意图

图解：此时原子H的产生顺利获得高功率的微波源在热等离子体中的耦合中产生

这些因数使得单晶金刚石成为拉曼激光的理想材料，这是由材料的刚性晶格、低的吸收和高的导热系数所决定的。金刚石拉曼激光利用金刚石的拉曼为一为1332.3 cm−1这一特性，几乎是所有材料中最高的，在超高功率密度下产生新的波长。据报道，波长的转换系数，在kW级别的激光层面，可见光(~600 nm)和在近IR(1.5 µm)时接近MW级别的功率层面，可以达到30%。最近高纯和晶体质量级别的金刚石生长技术的进步使得以上变成现实成为可能。

金刚石的生长和工艺

光学质量级别的金刚石的取得是顺利获得微波等离子增强化学气相沉积(CVD)来实现的。这一同质外延生长工艺充分利用真空室内的基材用单晶的CVD金刚石作为基板，方向为100的方向进行生长。基材曝漏在采用H稀释的超高纯含碳气体产生高能等离子体中。这些气体将会倾向于生成碳氢化合物，大多数采用的是非常普通的高纯甲烷，这是因为这一气体比较容易取得的原因。这些含原子氢的含碳气体的结合，对金刚石的生长非常有必要，在少量的氧的添加的情况下和惰性气体的加持下，会实现进一步的反应。

不同拉曼晶体的材料性质的比较

g = 拉曼增益系数；；; Δλ = 光谱分辨率; k = 导热系数; L = 典型的晶体长度typical crystal length;

dn/dT = 随温度变化的折射率， FoM = 热电优值

用于拉曼激光的金刚石的主要参数：

• xyz tolerances up to 7 × 7 × 2 mm ±50 µm.

• Polished surfaces up to Ra <5 nm.

• Parallelism: <1 µm/mm.

• Birefringence: Δn <5 × 10−5 along 110.

• Absorption: <0.005 cm−1 at 1064 nm.

金刚石的拓展性能

陆续在激光（CW）和脉冲激光可以呈现出不同的形式、尺寸、功率输出、空腔结构以及更多的展现形式，但他们经常受到制造新的波长的能力的限制。经常的，激光发射的波长取决于增益介质的的泵浦，介质是否可以进行调制却又受限于它所能允许的电子跃迁。金刚石拉曼激光可以给予优化CW和脉冲激光的选择方式，这是因为金刚石具有给予较大的拉曼位移的能力，是所有材料中迁移值最大的材料，具有非常高的激光损伤阈值和高的导热系数。

加工后的CVD金刚石拉曼晶体

金刚石拉曼激光可以利用金刚石的斯托克斯位移来改变激光输出的波长，这时同材料散射的低能光子和进入的光子在频率上存在差别。拉曼激光的特征在于它还可以允许波长级联，即在第一个斯托克斯波长的泵浦会产生第二次和第三次斯托克斯波长，主要取决于拉曼激光腔的配置。这一结果就导致可以有选择地对输出地激光进行调制，从而依据泵浦的频率和级联斯托克斯实现斯托克斯的迁移。

同传统的基于非线性晶体光学频率转换装置相比，如β-硼酸钡（β-barium borate (BBO) ）和酸二氢钾（ potassium dihydrogen phosphate (KDP)），金刚石拉曼激光具有较高的转换系数。金刚石的拉曼位移为1332.3 cm−1，可以在泵浦为532 到 573 nm的时候实现波长的变化，或者当在1064nm到1240nm进行泵浦的时候，采用第一次斯托克斯波长来实现。

其他的拉曼晶体，如钨酸钆钾（potassium-gadolinium tungstate (KGW) ） 和(Ba(NO3)2)则呈现出拉曼位移分别为901和 1048 cm−1。金刚石同其他拉曼晶体相比较，可以给予诸多的优点，上面的表格中已经给出了一些介绍。

拉曼激光正是利用晶体晶格的振动频率，利用一定参数的晶格进行 散热，这是因为它可以限制激光的最高输出功率。当光学材料的温度达到一定高的程度的时候，热透镜效应 就会毁坏控制光束轮廓的能力。当热导系数是 硝酸钡的三个数量级高的时候，金刚石的热透镜效应就几乎可以忽略不计。

从单晶金刚石制造的三个工艺窗口，表明显著高于激光诱导损伤的阈值

图解：运行条件为CW，波长1070nm ，同窗口采用熔融硅 相比较

金刚石同时还具有化学惰性和高的机械性能，杨氏模量可以达到超过1000 GPa。硝酸钡，与之相比较，则比较软和具有吸湿的特性。

作为增益介质，钨酸钆钾（potassium-gadolinium tungstate (KGW) ）同金刚石相比，具有较宽的透射窗。但金刚石却可以给予两倍数量级的增益，在可见广光谱范围内具有最高的增益，在266nm进行泵浦的时候，几乎可以达到100 cm/GW。

由于金刚石的热和光学性质，拉曼激光可以给予高的脉冲能量和功率密度。研究人员证实，同熔化的硅在陆续在输出时，单晶金刚石可以展现出显著高的激光诱导损伤阈值。

尽管拉曼激光是非常成熟的技术，它现在主要广泛的应用于泵浦二极管固态（激光）（diode-pumped solid-state (DPSS)）或光纤激光。这部分受限于现有的非金刚石拉曼晶体的输出功率受限制的原因以及其他典型的运行环境的因素的影响。金刚石拉曼晶体，然而，具有给予最佳的增益、高的功率密度和材料强度的潜力。诸如3D金属打印、激光焊接塑料、激光雷达以及直接能量加工等应用场合都需要比以往高得多的能量密度，同时需要新的波长和较高的空间光束质量。金刚石拉曼晶体不仅可以给予独特的解决方案，如解锁以上应用，同时还可以帮助我们拓展应用的边界。