[发明专利]一种高功率远红外金刚石激光单晶复合材料制备方法

说明书

一种高功率远红外金刚石激光单晶复合材料制备方法，属于金刚石激光晶体材料领域。首先采用微波等离子体化学气相沉积(CVD)制备(100)金刚石单晶膜；随后经过激光平整化、抛光、酸洗以及丙酮和酒精清洗后获得热导率≥2000w/(m·K)、远红外波段(8～12μm)红外透过率为71％金刚石单晶膜；再通过磁控溅射方法在双面抛光金刚石单晶膜单面沉积1‑2nm厚(100)铟(In)层作为晶格失配缓冲层；最后在铟(In)层表面异质外延生长(100)硒铟镓银(AgGa_1‑xIn_xSe₂)非线性晶体材料，进而获得单晶硒铟镓银(AgGa_1‑xIn_xSe₂)/铟(In)/金刚石激光单晶复合材料。本发明金刚石激光单晶复合材料导热系数高、远红外激光输出功率大，特别适用于远红外固体激光器、光通讯等领域的应用需求。

技术领域

本发明涉及激光晶体材料技术领域，特别是一种高功率远红外金刚石激光单晶复合材料制备方法。该材料可用于远红外固体激光器、光通讯等光学领域。

背景技术

由于传统CO₂气体激光器不能完全覆盖远红外波段(8～12μm)，而远红外激光在红外光电对抗、差分雷达、激光主动成像雷达、自由空间激光通信等领域又均有重要的应用，因此，研制适用8～12μm波段激光器是目前固体激光器领域的研究热点。常用远红外波段(8～12μm)非线性晶体材料主要包括：硒化镉(CdSe)、硒化镓(GaSe)、磷锗锌(ZnGeP₂)、硒镓银(AgGaSe₂)、以及硒铟镓银(AgGa_1-xIn_xSe₂)等，其中硒化镉(CdSe)、硒化镓(GaSe)、磷锗锌(ZnGeP₂)、硒镓银(AgGaSe₂)几类材料会由于泵浦源要求严格、多光子吸收严重、偏振吸收等原因导致激光器在较大运转过程中产生大量热，造成机体和光学元件损伤，从而也就限制了远红外高能量固体激光器激光输出，对于掺杂In的硒铟镓银(AgGa_1-xIn_xSe₂)晶体材料能够实现非临界相位匹配，并且热导率是以上几种材料的3-4倍，达到0.33～0.44W/cm·K，被认为是未来远红外(8～12μm)激光材料主要发展方向。

对于多数非线性激光晶体材料而言，需要必备有高的热导率、宽的透光范围、光学均匀性好、吸收损耗小、抗损伤阈值高、转换效率高、稳定物理和化学性能、机械性能好等条件。虽然，掺杂In的硒铟镓银(AgGa_1-xIn_xSe₂)晶体材料被认为是较佳的高功率激光输出材料，但是其热导率并未达到0.5W/cm·K，对于未来瓦量级和千瓦量级高功率下激光器热效应仍然不能够满足。金刚石具有最高硬度、最高导热系数(20W/cm·K)、宽红外透过波段、化学稳定性好和热膨胀系数小等优点，将上述材料和金刚石进行复合作为了远红外激光器材料，既能够解决抽运产生高热量又能够实现高功率激光输出，在医疗、军事和通讯等领域都将拥有广阔的应用前景。

目前，对于非线性激光晶体材料研究有许多，比如哈尔滨工业大学报道采用32.7W的2.09μm调Q Ho：YAG激光器泵浦ZnGeP₂-OPO获得了8.2W的8.3μm激光输出，光束质量因子为2.94。(Qian C,Shen Y,Yao B,et al.High Power Far-Infrared ZGP OPO Laser[C]//LasersElectro-optics.IEEE,2016.)。专利CN202010238040.5提出一种氮掺杂CVD金刚石激光晶体及制备方法，通过镀制增透膜和反射膜方式，解决了CVD金刚石激光晶体难获得可见光波长637nm激光问题。专利CN201910858477.6提出一种中红外铥钬共掺倍半氧化物激光单晶光纤及其制备方法和应用，通过压制和烧结获得3.2～4.3μm固态中红外激光器晶体材料，降低激光阈值提高输出功率。