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Aug 08, 2023

Diamant und Laser: Eine kraftvolle Kombination

Da die Photonik-Märkte die Entwicklung immer höherer Leistungen für eine Reihe von Lasersystemen vorantreiben, stehen herkömmliche Lasermaterialien bei der Bewältigung der hohen optischen Leistungsdichten zunehmend vor Herausforderungen

Da die Photonikmärkte die Entwicklung immer höherer Leistungen für eine Reihe von Lasersystemen vorantreiben, stehen traditionelle Lasermaterialien zunehmend vor der Herausforderung, mit den hohen optischen Leistungsdichten und großen Mengen an Abwärme umzugehen. Es braucht neuartige Lösungen.

Es ist seit langem bekannt, dass Diamant in einer Reihe von Bereichen außergewöhnliche Eigenschaften aufweist, von geringer Absorption bei einer Reihe wichtiger Wellenlängen, der höchsten Wärmeleitfähigkeit aller Massenmaterialien bis hin zu hervorragenden mechanischen Eigenschaften. Aus historischen Quellen war es jedoch schwierig, qualitativ hochwertige Materialien zu beschaffen Materialien mit zuverlässig großen Abmessungen. Synthetischer Hochdruck-Hochtemperatur-Diamant (HPHT) ist seit mehr als fünfzig Jahren erhältlich, seine Eigenschaften und verfügbaren Größen haben jedoch seine Verbreitung in Anwendungen außerhalb mechanischer Anwendungen eingeschränkt.

Die Reinheit des Verfahrens hat im Laufe der Jahre aufgrund seiner hohen Qualität und Verfügbarkeit in großen Größen eine Reihe von Anwendungen ermöglicht ...

Eine alternative Methode zur Herstellung von polykristallinem und einkristallinem Diamant, die einige der Einschränkungen überwindet, ist die chemische Gasphasenabscheidung (CVD), die sich in den letzten 15 Jahren zunehmend kommerziell rentabel erwiesen hat. Bei diesem Prozess werden Gase, die Kohlenstoffspezies in einem Wasserstoffträger enthalten, durch Mikrowellen auf Temperaturen über 2000 K erhitzt. Durch sorgfältige Kontrolle der Systemparameter und der Qualität des Ausgangsmaterials hat diese Methode Diamanten mit außergewöhnlich hoher Reinheit ermöglicht, beispielsweise mit Hintergrundwerte für Stickstoffdefekte in einkristallinem Diamant wurden mit weniger als 5 Teilen pro Milliarde gemessen und Durchmesser von polykristallinem Material bis zu 140 mm. Die Reinheit des Prozesses hat im Laufe der Jahre aufgrund seiner hohen Qualität und Verfügbarkeit in großen Größen eine Reihe von Anwendungen ermöglicht, darunter optische Hochleistungsfenster, Fenster für die Breitband-Infrarotspektroskopie, Wärmeverteiler für die Halbleiterindustrie, leitende, mit Bor dotierte Elektroden usw Gyrotronfenster für die Entwicklung der Fusionsenergie.

Diamant hat eine große Bandlücke von 5,45 eV, was bedeutet, dass die kurzwellige Grenzfrequenz für Diamant bei etwa 230 nm liegt, während das Material aufgrund der Symmetrie der Bindung bis weit in den Mikrowellenbereich hinein weitgehend transparent ist. Daher decken die optischen Anwendungen ein breites Spektrum an Wellenlängen ab, sodass verschiedene Lasersysteme die hohe Wärmeleitfähigkeit von Diamant auf vielfältige Weise nutzen können.

Die ausgereifteste optische Anwendung von hochreinem CVD-Diamant sind Ausgangskoppler von CO2-Lasern. Diese Teile werden seit über 15 Jahren verkauft. In jüngerer Zeit, als die Leistungsdichten in Systemen immer höher wurden, könnten Teile der 10,6-μm-Strahllinie wie Strahlteiler und Linsen aus Diamant hergestellt werden. Die Anwendung basiert auf vier Schlüsseleigenschaften:

Natürlich ist zu beachten, dass bei manchen Anwendungen die polykristalline Beschaffenheit des optischen Elements seine Verwendung einschränken würde; Aufgrund der kubischen Struktur von Diamant ist der Einfluss mehrerer Kristallorientierungen im Film auf die Leistung jedoch minimal. Bei kürzeren Wellenlängen gibt es jedoch einige Anwendungen, bei denen die für polykristallinen Diamanten typische Doppelbrechung und Streuung die Wirksamkeit einschränken würde und Einkristalllösungen erforderlich sind.

Seit der Erfindung des Dünnscheibenlasers in den 1990er Jahren hat er sich zu einem beliebten Werkzeug zur Erhöhung der Leistungsdichte aus einem bestimmten Verstärkungsmaterial entwickelt. Von Hochleistungsschneidlasern aus YAG-basierten Systemen bis hin zu höheren Leistungen bei schwerer erreichbaren Wellenlängen aus Halbleiterverstärkungsmaterialien in einem VECSEL-Aufbau (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser) ermöglicht Diamant aufgrund des axialen Wärmeflusses hervorragende Strahlqualitäten bei hoher Leistung durch eine kurze Abmessung in einen Kühlkörper.

Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit wird polykristalliner Diamant in diesen Systemen seit langem als Wärmeverteiler an der Außenseite des Hohlraums eingesetzt; Mit zunehmender Leistungsdichte reicht jedoch selbst die Diamantkühlung auf der Rückseite des Verstärkungsmaterials und des Spiegelstapels nicht mehr aus und die Strahlqualität nimmt ab. In der Vergangenheit haben die Doppelbrechung und Streuung von polykristallinem Diamant seine Verwendung im Hohlraum von Lasern mit kurzer Wellenlänge (typischerweise bei etwa 1 µm) eingeschränkt.

Für eine weitere Leistungsskalierung ist ein Diamantprodukt mit geringer Absorption, geringer Doppelbrechung und größerer Fläche mit extrem hoher Wärmeleitfähigkeit erforderlich, das auf der dünnen Scheibe im Hohlraum platziert werden kann. Aufgrund ihrer kleineren Punktgrößen wurde dies bereits bei VECSEL-Lasern realisiert und hat gezeigt, dass sie bis zu einem Leistungsanstieg von bis zu zwei Größenordnungen vor dem Ausfall führen. Da die verfügbaren Flächen immer größer werden, könnte es bei anderen Scheibenlasern bald zu einer ähnlichen Skalierung der Leistungsdichte kommen.

Geschrieben von Dr. Andrew Bennett, leitender Forschungswissenschaftler, Element Six.