業(yè)界對(duì)工作在理想光譜區(qū)域和功率范圍的緊湊型固態(tài)金剛石激光器的追求，以及眾多其他的光電子應(yīng)用，促進(jìn)了全球?qū)I(yè)金剛石制造的研究和開(kāi)發(fā)。得益于近年來(lái)化學(xué)氣相沉積（CVD）法生長(zhǎng)金剛石技術(shù)的進(jìn)步，澳大利亞的一個(gè)研究小組最近報(bào)道了一種光泵浦外腔CVD金剛石拉曼激光器。
澳大利亞Macquarie大學(xué)的研究人員Richard Mildren表示：“長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直認(rèn)為金剛石是非常好的拉曼材料。但是直到過(guò)去的幾年，由于CVD生長(zhǎng)方法能夠以合理的價(jià)格重復(fù)制造這種材料，才使我們可以實(shí)際進(jìn)行這方面的研究。”
對(duì)硅基拉曼激光器的研究也引起了業(yè)界的巨大興趣，因?yàn)橐揽磕壳暗陌雽?dǎo)體技術(shù)，硅基拉曼激光器有望被集成到電子集成光路中。盡管金剛石缺乏像硅那樣制成集成光路的技術(shù)平臺(tái)，但在過(guò)去的十年中，對(duì)集成單片金剛石光子器件的研究興趣，使人們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)了波導(dǎo)、光子晶體器件、輻射探測(cè)和光子源。總的來(lái)說(shuō)，這些進(jìn)步都是通過(guò)在硅基底上沉積金剛石薄膜的CVD技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。
這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)研究目標(biāo)是用熱導(dǎo)率比純硅更高的金剛石和硅的化合物晶圓，取代目前集成光路中使用的300mm直徑的硅晶圓基底。其中的一種方法有望以可承受的價(jià)格來(lái)制造大尺寸單晶金剛石晶圓。在過(guò)去的五年中，表面積達(dá)25祄2的單晶金剛石薄膜、以及毫米尺寸的工業(yè)金剛石已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。
基于這些材料方面的進(jìn)步，Macquarie大學(xué)構(gòu)建了一款拉曼激光器，它是通過(guò)把一塊尺寸約為5mm 5mm 1.47mm的未鍍膜金剛石單晶，放置在由輸入耦合鏡和端鏡組成的諧振腔內(nèi)構(gòu)成的。拉曼激光器的泵浦光是由調(diào)Q Nd: YAG激光器經(jīng)過(guò)倍頻輸出的頻率為10Hz、脈寬為10ns的532nm的激光。研究人員構(gòu)建的這款外腔拉曼激光器，從輸入的泵浦信號(hào)到573nm一階斯托克斯輸出光的總轉(zhuǎn)換效率為13%。
Mildren認(rèn)為，他們的原理驗(yàn)證演示是一個(gè)比較粗糙的實(shí)驗(yàn)，其中還有諸多可以改進(jìn)的因素以提高效率，這些因素包括在晶體表面缺少減反射膜，在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中的殘余應(yīng)力雙折射，以及晶體的長(zhǎng)度較短。他補(bǔ)充說(shuō)，他們正在對(duì)CVD技術(shù)進(jìn)行的改進(jìn)已經(jīng)使后兩項(xiàng)問(wèn)題得到了解決，比如，2008年10月英國(guó)Element Six公司就發(fā)布了一種商用的激光用CVD金剛石，其雙折射差小于10-5。
澳大利亞Macquarie大學(xué)的研究人員Richard Mildren表示：“長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直認(rèn)為金剛石是非常好的拉曼材料。但是直到過(guò)去的幾年，由于CVD生長(zhǎng)方法能夠以合理的價(jià)格重復(fù)制造這種材料，才使我們可以實(shí)際進(jìn)行這方面的研究。”
圖:原理驗(yàn)證拉曼激光器的諧振腔由輸入耦合鏡M1和端鏡M2形成，內(nèi)置一塊以布儒斯特角（67.5o）放置的未鍍膜單晶CVD金剛石。對(duì)于由上端的布儒斯特面反射的輸出光束，一個(gè)短程濾波器（高透邊界為540nm）用于從斯托克斯輸出光中濾除殘余的泵浦光。
金剛石的拉曼增益系數(shù)，比金屬鎢酸鹽、硝酸鋇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，金剛石具有最大的拉曼頻移以及最寬的透光范圍，大約從紫外的225nm到遠(yuǎn)紅外的100祄。而且在如此寬的范圍內(nèi)，有許多光譜區(qū)域是目前的激光技術(shù)無(wú)法很好做到的，如醫(yī)學(xué)中使用的黃光，這也是目前金剛石拉曼激光器研究的主要推動(dòng)力之一。此外，金剛石的熱導(dǎo)率比其他大多數(shù)激光材料約高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，這為高功率激光應(yīng)用提供了巨大潛力。
金剛石光子器件
對(duì)硅基拉曼激光器的研究也引起了業(yè)界的巨大興趣，因?yàn)橐揽磕壳暗陌雽?dǎo)體技術(shù)，硅基拉曼激光器有望被集成到電子集成光路中。盡管金剛石缺乏像硅那樣制成集成光路的技術(shù)平臺(tái)，但在過(guò)去的十年中，對(duì)集成單片金剛石光子器件的研究興趣，使人們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)了波導(dǎo)、光子晶體器件、輻射探測(cè)和光子源。總的來(lái)說(shuō)，這些進(jìn)步都是通過(guò)在硅基底上沉積金剛石薄膜的CVD技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。
這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)研究目標(biāo)是用熱導(dǎo)率比純硅更高的金剛石和硅的化合物晶圓，取代目前集成光路中使用的300mm直徑的硅晶圓基底。其中的一種方法有望以可承受的價(jià)格來(lái)制造大尺寸單晶金剛石晶圓。在過(guò)去的五年中，表面積達(dá)25祄2的單晶金剛石薄膜、以及毫米尺寸的工業(yè)金剛石已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。
基于這些材料方面的進(jìn)步，Macquarie大學(xué)構(gòu)建了一款拉曼激光器，它是通過(guò)把一塊尺寸約為5mm 5mm 1.47mm的未鍍膜金剛石單晶，放置在由輸入耦合鏡和端鏡組成的諧振腔內(nèi)構(gòu)成的。拉曼激光器的泵浦光是由調(diào)Q Nd: YAG激光器經(jīng)過(guò)倍頻輸出的頻率為10Hz、脈寬為10ns的532nm的激光。研究人員構(gòu)建的這款外腔拉曼激光器，從輸入的泵浦信號(hào)到573nm一階斯托克斯輸出光的總轉(zhuǎn)換效率為13%。
Mildren認(rèn)為，他們的原理驗(yàn)證演示是一個(gè)比較粗糙的實(shí)驗(yàn)，其中還有諸多可以改進(jìn)的因素以提高效率，這些因素包括在晶體表面缺少減反射膜，在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中的殘余應(yīng)力雙折射，以及晶體的長(zhǎng)度較短。他補(bǔ)充說(shuō)，他們正在對(duì)CVD技術(shù)進(jìn)行的改進(jìn)已經(jīng)使后兩項(xiàng)問(wèn)題得到了解決，比如，2008年10月英國(guó)Element Six公司就發(fā)布了一種商用的激光用CVD金剛石，其雙折射差小于10-5。
日本東北大學(xué)金屬材料研究所和產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所通過(guò)激光CVD(化學(xué)氣相沉積)法使原料等離子化，開(kāi)發(fā)出了在較原來(lái)約低400℃的溫度下對(duì)氧化鋁(Al2O3)單晶涂層進(jìn)行成膜，并將成膜速度提高數(shù)10～1000倍的成膜技術(shù)。如果將該項(xiàng)研究成果用于刀頭可換式等切削工具的硬質(zhì)氧化鋁相涂層中，將有望大幅提高切削工具的壽命，因此吸引了廣泛關(guān)注。
日本東北大學(xué)金屬材料研究所教授后藤孝的研究小組一直在進(jìn)行以下的研究：采用鋁有機(jī)金屬絡(luò)合物Al(acac)3(乙酰丙酮鋁)和氧氣，然后對(duì)其進(jìn)行激光照射實(shí)現(xiàn)等離子化，形成活性反應(yīng)場(chǎng)，對(duì)氧化鋁α單晶相進(jìn)行成膜，并優(yōu)化結(jié)晶方位。如果在激光器中采用半導(dǎo)體激光器使鋁的氣體原料實(shí)現(xiàn)等離子化，那么與目前的CVD法相比，可以低溫高速地制成硬質(zhì)α相氧化鋁。CVD的載氣中使用了氬氣。
此次將激光器由半導(dǎo)體激光器改為Nd(釹)-YAG(釔鋁石榴石)激光器，輸出功率提高到了250W，可大范圍照射激光，從而優(yōu)化了因等離子而形成的活性場(chǎng)。后藤教授介紹說(shuō)，最終“我們成功地將成膜溫度降低了400℃，將成膜速度提高至數(shù)10～1000倍以上”。據(jù)后藤教授介紹，預(yù)計(jì)成膜速度最高可以快至數(shù)1000倍。成膜溫度為1000K左右，低于原方法的1500K。
α氧化鋁是采用“Corundum”型結(jié)晶構(gòu)造的氧化鋁高溫相，導(dǎo)熱率較小、即使在高溫下也具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，因此有望作為超硬工具等切削工具的涂層。通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了α氧化鋁相單晶成膜的溫度和楊氏模量的合成領(lǐng)域范圍、將原料氣體的氣化溫度和裝置樣品室的壓力作為變數(shù)進(jìn)行控制后的結(jié)晶方位范圍等。
此次的研究成果，是東北大學(xué)與產(chǎn)綜研可持續(xù)材料研究部門(mén)作為大幅減少稀有金屬W(鎢)使用量的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省“稀有金屬代替材料開(kāi)發(fā)項(xiàng)目”的研發(fā)課題而共同推進(jìn)的。在成膜底板的實(shí)驗(yàn)中采用了氧化鋁，后藤教授介紹說(shuō)“還可以支持超硬工具(WC和Co是主要成分)底板中的被膜”。
以對(duì)α氧化鋁層進(jìn)行低溫高速被膜的研究成果為基礎(chǔ)，工具廠商如何支持超硬工具實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化將是今后的一大課題。后藤教授表示，覆層對(duì)象除了超硬工具外，“預(yù)計(jì)主要成分為T(mén)iN(氮化鈦)的金屬陶瓷也可被膜”?；诩す釩VD的等離子活性化被膜法可以用于很多領(lǐng)域，這一點(diǎn)最受人矚目。
