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Aug 08, 2023

ダイヤモンドとレーザー: 強力な組み合わせ

フォトニクス市場がさまざまなレーザーシステム向けにますます高出力の開発を推進するにつれて、従来のレーザー材料は高い光出力密度に対処するという点でますます課題が増えています。

フォトニクス市場がさまざまなレーザーシステムのより高出力の開発を推進するにつれて、従来のレーザー材料は高い光出力密度と大量の廃熱に対処するという点でますます課題が増えています。 斬新なソリューションが必要です。

ダイヤモンドは、多くの重要な波長での低い吸収、バルク材料の中で最も高い熱伝導率、優れた機械的特性に至るまで、さまざまな分野にわたって優れた特性を備えていることが長い間知られていましたが、歴史的な情報源から高品質のものを調達するのは困難でした。確実に大きな寸法の材料。 高圧高温 (HPHT) 合成ダイヤモンドは 50 年以上前から入手可能ですが、その特性と入手可能なサイズにより、機械用途以外の用途での採用は限られています。

プロセスの純度は、その高品質と大きなサイズでの入手可能性により、長年にわたってさまざまな用途を可能にしてきました。

いくつかの制限に対処する多結晶および単結晶ダイヤモンドの代替製造方法は、化学蒸着 (CVD) によるもので、過去 15 年間で商業的に実現可能になりつつあります。 このプロセスでは、バルク水素キャリア内に炭素種を含むガスがマイクロ波によって 2000 K を超える温度に加熱されます。システムパラメータと原料の品質を注意深く制御することにより、この方法により、たとえば次のような非常に高純度のダイヤモンドが可能になります。単結晶ダイヤモンドのバックグラウンド窒素欠陥レベルは 5 ppb 未満と測定され、多結晶材料の直径は最大 140 mm です。 このプロセスの純度は、その高品質と大型サイズでの入手可能性により、長年にわたり、高出力光学窓、広帯域赤外分光法用の窓、半導体産業用のヒートスプレッダ、導電性ホウ素ドープ電極、および核融合発電開発のためのジャイロトロン窓。

ダイヤモンドのバンドギャップは 5.45 eV と広いため、ダイヤモンドの短波長カットオフは約 230 nm ですが、この材料は結合の対称性によりマイクロ波領域までほぼ透明です。 したがって、光学用途は広範囲の波長をカバーしており、さまざまなレーザー システムでダイヤモンドの高い熱伝導率をさまざまな方法で利用できるようになります。

高純度 CVD ダイヤモンドの最も成熟した光学用途は CO2 レーザーの出力カプラーであり、これらの部品は 15 年以上販売されています。 最近では、システムの出力密度が高くなるにつれて、ビームスプリッターやレンズなどの 10.6 μm ビームラインの部品がダイヤモンドで作られるようになりました。 アプリケーションは、次の 4 つの主要なプロパティに依存します。

もちろん、用途によっては、光学素子の多結晶の性質によりその用途が制限されることに注意する必要があります。 ただし、ダイヤモンドの立方晶構造により、膜内の複数の結晶方位が性能に及ぼす影響を最小限に抑えることができます。 ただし、より短い波長では、多結晶ダイヤモンドに特有の複屈折と散乱によって効率が制限される用途があり、単結晶ソリューションが必要となります。

1990 年代に薄型ディスク レーザーが発明されて以来、所定の利得材料から出力密度を高めるためのツールとして好まれてきました。 YAG ベースのシステムによる高出力切断レーザーから、垂直外部共振器面発光レーザー (VECSEL) セットアップの半導体利得材料による到達が困難な波長での高出力まで、ダイヤモンドは軸方向の熱流束により高出力で優れたビーム品質を実現します。短い寸法を通ってヒートシンクに到達します。

多結晶ダイヤモンドは熱伝導率が高いため、これらのシステムのキャビティの外側のヒートスプレッダとして長い間使用されてきました。 しかし、出力密度が増加すると、利得材料とミラースタックの背面のダイヤモンド冷却でも十分ではなくなり、ビーム品質が低下します。 歴史的には、多結晶ダイヤモンドの複屈折と散乱により、短波長レーザー (通常約 1 µm で動作) の共振器での使用は制限されてきました。