CVD生长法实现金刚石拉曼激光器

2009/4/3/8:39来源:激光世界 作者:Hassaun A. Jones-Bey
    业界对工作在理想光谱区域和功率范围的紧凑型固态金刚石激光器的追求,以及众多其他的光电子应用,促进了全球对工业金刚石制造的研究和开发。得益于近年来化学气相沉积(CVD)法生长金刚石技术的进步,澳大利亚的一个研究小组最近报道了一种光泵浦外腔CVD金刚石拉曼激光器。

    澳大利亚Macquarie大学的研究人员Richard Mildren表示:“长期以来,人们一直认为金刚石是非常好的拉曼材料。但是直到过去的几年,由于CVD生长方法能够以合理的价格重复制造这种材料,才使我们可以实际进行这方面的研究。”


图:原理验证拉曼激光器的谐振腔由输入耦合镜M1和端镜M2形成,内置一块以布儒斯特角(67.5o)放置的未镀膜单晶CVD金刚石。对于由上端的布儒斯特面反射的输出光束,一个短程滤波器(高透边界为540nm)用于从斯托克斯输出光中滤除残余的泵浦光。

    金刚石的拉曼增益系数,比金属钨酸盐、硝酸钡以及硅等其他可替代的拉曼材料至少要高出40%。在所有的材料中,金刚石具有最大的拉曼频移以及最宽的透光范围,大约从紫外的225nm到远红外的100祄。而且在如此宽的范围内,有许多光谱区域是目前的激光技术无法很好做到的,如医学中使用的黄光,这也是目前金刚石拉曼激光器研究的主要推动力之一。此外,金刚石的热导率比其他大多数激光材料约高出两个数量级,这为高功率激光应用提供了巨大潜力。

    金刚石光子器件


    对硅基拉曼激光器的研究也引起了业界的巨大兴趣,因为依靠目前的半导体技术,硅基拉曼激光器有望被集成到电子集成光路中。尽管金刚石缺乏像硅那样制成集成光路的技术平台,但在过去的十年中,对集成单片金刚石光子器件的研究兴趣,使人们在实验室中实现了波导、光子晶体器件、辐射探测和光子源。总的来说,这些进步都是通过在硅基底上沉积金刚石薄膜的CVD技术实现的。
这项技术的一个研究目标是用热导率比纯硅更高的金刚石和硅的化合物晶圆,取代目前集成光路中使用的300mm直径的硅晶圆基底。其中的一种方法有望以可承受的价格来制造大尺寸单晶金刚石晶圆。在过去的五年中,表面积达25祄2的单晶金刚石薄膜、以及毫米尺寸的工业金刚石已实现商业化。
基于这些材料方面的进步,Macquarie大学构建了一款拉曼激光器,它是通过把一块尺寸约为5mm 5mm 1.47mm的未镀膜金刚石单晶,放置在由输入耦合镜和端镜组成的谐振腔内构成的。拉曼激光器的泵浦光是由调Q Nd: YAG激光器经过倍频输出的频率为10Hz、脉宽为10ns的532nm的激光。研究人员构建的这款外腔拉曼激光器,从输入的泵浦信号到573nm一阶斯托克斯输出光的总转换效率为13%。

    Mildren认为,他们的原理验证演示是一个比较粗糙的实验,其中还有诸多可以改进的因素以提高效率,这些因素包括在晶体表面缺少减反射膜,在晶体生长过程中的残余应力双折射,以及晶体的长度较短。他补充说,他们正在对CVD技术进行的改进已经使后两项问题得到了解决,比如,2008年10月英国Element Six公司就发布了一种商用的激光用CVD金刚石,其双折射差小于10-5。
















 

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