金刚石光学窗口片应用于高功率 CO2 激光器

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。高质量 CVD 金刚石抗激光损伤峰值能量高达66J/cm2，峰值功率可达 12．7 MW/mm2。同时金刚石在 10．6μm 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。

因此研究针对高功率 CO2激光器窗口应用，采用 MPCVD 沉积金刚石自支撑膜，膜片双面抛光后作为基 片，利用蒸镀法在基片两面镀制 10.6μm 波段的增透膜，制作成可以应用于 CO2激光器的 CVD 金刚石基窗口。

杂质是影响金刚石基片透过率的重要因素，杂质的引入会带来各种结构缺陷，在透过谱上表现为各种吸收峰，影响光学性能。尤其与 N 杂质相关的吸收峰，因 为 临 近 CO2 激 光 波 长 10．6μm，会直接影响基片在此波段的透过率。因此提高基片透过率必须要降低 N 杂质的影响，实验采用超纯原料气体(纯度 99．999% 以上) ，低的气体泄漏率，降低系统中 N 的浓度，避免 N 杂质对膜光学性能的影响。下图是各样品的红外透射谱图。从图中可以看出，各样品在 10．6μm 波长附近的透过曲线平滑无吸收，透过率均 ＞ 67．5% ，其中 1 000 ℃的样品透过率最高，达到了 70．9% ，接近金刚石的理论透过率。这说明通过工艺手段降低 N 杂质含量，可以提高 CVD 金刚石基片在 10．6μm 波段的透过率，满足激光窗口对光学性能的基础要求。

在样品制备的温度区间 980～1040℃，金刚石基片的热导率没有明显变化规律，但是整体热导率都在 19．5 W/( cm·K) 以上。这是因为高光学透过率的金刚石 基片本身具有较高的金刚石相纯度与低的缺陷密度，而这两者是提高金刚石热导率的重要条件。因此在优选的工艺条件下，提高金刚石的热导率与光学性能并不矛盾，两者可以同时达到较高的水平。测试结果显示金刚石基片的热导率是其他 CO2激光器窗口比如 ZnSe( 0.18 W/( cm·K) )、GaAs( 0．53 W/( cm·K) )的数十倍。低吸收系数意味着金刚石基片吸收激光能量的能力低，超高的热导率可以将热量导走，窗口温度低、热应力小、“热透镜”效应低、窗口使用性能优异。

CO2激光器窗口，需要承受激光器工作介质气体与整形光路间的气体压力差，因此我们采用爆破法模拟窗口使用情况，测试基片在无激光输出状态下的承受能力。结果显示各样品爆破强度差距不大。考虑到设备的测试误差，可以认为 实验所选样品的爆破强度均处于同一水平。样品测试的爆破强度最低值为 5．62 MPa，远高于CO2激光器可能的工作压力 133．322 ～ 101325 Pa。所以，厚度为 330μm 的 CVD 金刚石基片作为窗口材料，可以为实际应用预留足够的安全冗余。

凯发k8国际致力于宽禁带半导体材料的研发，推出产品众多，其中金刚石窗口片在UV、FIR和微波范围内具有高透射率；具有高导热系数，能与高功率激光搭配使用；具有出众的硬度和抗划伤能力。凯发k8国际产品还有金刚石热沉片、晶圆级金刚石、金刚石振膜等。