一种光学级金刚石的制备方法

本发明属于金刚石晶体材料领域，具体涉及一种光学级金刚石的制备方法。

背景技术：

1、拉曼激光和布里渊激光是实现高亮度、窄线宽、低噪声以及特殊波段和频率激光输出的重要手段，在空间探测、高能物理、激光雷达和光电对抗等领域有着不可替代的作用。金刚石具有天然材料中最高的热导率、宽通光范围以及极高的拉曼增益和拉曼频移，是非线性光学应用的理想材料。目前，以金刚石为拉曼介质的激光器在紫外至红外波段的脉冲及高功率连续泵浦下均有出色表现。此外，基于金刚石的布里渊激光器也已实现多波段的自由空间布里渊激光运转，功率达到其他增益介质的10倍以上。

2、高功率金刚石激光技术的发展和突破对金刚石的尺寸和质量提出了更高的要求。然而，目前通过cvd技术制备的单晶金刚石普遍存在光学均匀性差、应力双折射、光透过率低等问题，难以满足金刚石拉曼激光等非线性光学应用的需求。

3、近些年来，为了制备能够实现拉曼激光等应用的高质量光学级金刚石，国内外科研人员进行了大量研究，例如：专利wo2011076642a1提出了一种通过分步生长控制金刚石位错密度进而提升晶体光学均匀性的方法，该方法对衬底进行刻蚀并精确控制不同生长阶段氮含量，然而分步生长的方式工艺繁琐，对生长气氛的精确控制提出了较高的要求，且会在生长过程中引入氮杂质，对晶体的透过性能造成不利影响；专利cn112647127a提出了一种通过金属共掺改变缺陷处碳原子的排列方式，进而抑制线缺陷外延并降低位错密度的方法，然而该方法会在金刚石中引入金属杂质，对晶体的透过率等光学性质造成不利影响；专利cn110697704b提出了一种通过高温高压退火去除金刚石杂质和改变晶体颜色的方法，然而该方法只针对天然金刚石，天然金刚石由于其本身的质量较差，难以应用于光学领域。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种光学级金刚石的制备方法，采用本发明最终可获得未镀膜光学透过率(@1.2μm)高于70％，光学均匀性优于1×10-4的单晶金刚石。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种光学级金刚石的制备方法，其特征在于包含以下步骤：

4、步骤1.采用mpcvd法生长得到具有较低缺陷密度的金刚石；

5、步骤2.通过激光切割和激光抛光技术去除所述金刚石表面和侧面的多晶部分；

6、步骤3.将处理后的金刚石置于高温高压(hpht)设备中进行高温高压退火处理，其中，在预定时间内升温至预定的高温，同时快速升压至预定的压力，保温保压一段时间后，再经过预设的降温程序降至室温，并保持压力至常压；

7、步骤4.对退火后的金刚石进行表面研磨抛光处理。

8、优选的，步骤1所述的mpcvd生长过程具体为：

9、步骤1.1将金刚石单晶衬底放入mpcvd设备中，并抽真空至10-3pa以下；

10、步骤1.2通入氢气并调节所述mpcvd设备内压强至预定值，同时调节微波功率以产生等离子体；

11、步骤1.3逐渐增加压强和微波功率，待衬底温度达到750-900后，通入氧气并保持微波功率和压强不变，进行氢氧等离子刻蚀，刻蚀时间0.5-2h；

12、步骤1.4.停止通入氧气，继续在氢等离子环境下刻蚀1-2h；

13、步骤1.5通入甲烷气体，并调节衬底温度至850-1050，进行金刚石的生长；

14、步骤1.5.生长结束后，缓慢降温至室温，并取出晶体。

15、优选的，步骤1.1中，所述金刚石单晶衬底为cvd金刚石或hpht金刚石。

16、优选的，步骤1.2中，所述压强的预定值为750-900。

17、优选的，步骤1.3中，通入氧气的浓度为氢气的0.5％-2％。

18、优选的，步骤1.5中，通入甲烷气体的浓度为氢气的2％-5％

19、优选的，步骤3中所述预定的高温为2000-2200，预定高压为5-7gpa，在此条件下保温保压1-2h。

20、优选的，步骤3中所述预设的降温程序为续保持压强不变，在0.5-1h内将温度降至1200℃并保持5-10min；

21、优选的，步骤3中降温结束后将压强降至常压。

22、上述制备方法得到的金刚石单晶在金刚石拉曼激光器方面的应用。

23、与现有技术相比，本发明的技术效果：

24、1)通过激光切割和激光抛光技术去除金刚石表面和侧面的多晶部分，能够实现高精度的加工，确保金刚石表面的平整度和光洁度，减少因加工引起的表面缺陷。且确保激光加工过程中不与金刚石直接接触，避免了传统机械加工可能引入的划痕和污染，有利于保持金刚石的光学性能，提高生产效率，降低成本。

25、2)采用高温高压退火处理能够优化金刚石晶体的内部结构，减少残余应力和内部缺陷，提高晶体的完整性和光学性能。特别是基于金刚石晶体结构和性能的基数上，采用的特定高温高压条件(如2000-2200℃,5-7gpa)使金刚石晶体更加稳定，适用于极端条件下的光学应用。结合保持压强不变，在0.5-1h内将温度降至1200℃并保持一段时间，再缓慢降至室温，这种精细的降温程序，从而减少因温度快速变化引起的热应力和内部缺陷。

26、3)本发明通过mpcvd法预先生长出低缺陷密度的金刚石单晶，减少了后续hpht退火处理中需要消除的缺陷数量，从而提高了退火处理的效率和效果。同时，激光切割和抛光技术的引入也进一步提升了金刚石表面的光洁度和平整度，为后续的退火处理提供了更好的基础。

27、4)本发明采用mpcvd法通过精确控制反应条件，生长出具有较低缺陷密度的金刚石单晶。而缺陷密度可以减少光的散射和吸收，提高光学性能。同时，在退火处理过程中，结合hpht设备的高温高压环境，消除残余应力、细化晶粒、提高晶体的完整性和稳定性。而确保金刚石晶体在极端条件下保持稳定，这对于制备高性能的光学级金刚石尤为重要。

28、5)mpcvd法与hpht协同作用，能够综合优化金刚石晶体的内部结构。mpcvd法生长出的低缺陷密度金刚石为hpht退火处理提供了良好的起点，而hpht退火处理则进一步消除了残余应力和内部缺陷，提高了晶体的完整性和稳定性。本发明不会在晶体中引入额外的杂质，通过本发明制备的金刚石未镀膜光学透过率(@1.2μm)高于70％，光学均匀性优于1×10-4。

技术特征：

1.一种光学级金刚石的制备方法，其特征在于包含以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种光学级金刚石的制备方法，其特征在于步骤1所述的mpcvd生长过程具体为：

3.如权利要求1所述的一种光学级金刚石的制备方法，其特征在于，步骤3中所述预定的高温为2000-2200，预定高压为5-7gpa，在此条件下保温保压1-2h。

4.如权利要求1所述的一种光学级金刚石的制备方法，其特征在于，步骤3中所述预设的降温程序为续保持压强不变，在0.5-1h内将温度降至1200℃并保持5-10min。

5.如权利要求1所述的一种光学级金刚石的制备方法，其特征在于，步骤3中降温结束后将压强降至常压。

6.权利要求1～5任一所述制备方法得到的金刚石单晶在金刚石拉曼激光器方面的应用。

技术总结
本发明属于金刚石晶体材料领域，具体涉及一种光学级金刚石的制备方法。该方法包含以下步骤：采用MPCVD法外延得到金刚石晶体；通过激光切割和激光抛光去除金刚石表面和侧面的多晶；将加工好的晶体置于六面顶压机中进行高温高压退火；退火结束后对晶体进行研磨抛光等表面处理。采用本方法制备的金刚石具有应力双折射小、光学均匀性好和光学透过率高的特点，可以作为拉曼激光器增益介质。

技术研发人员：张书隆,杭寅,赵呈春,何明珠,蔡双
受保护的技术使用者：中国科学院上海光学精密机械研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/12/17