CN110088648A - 合成金刚石光学元件 - Google Patents

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Abstract

一种光学元件，包括由合成金刚石材料形成的窗口和直接形成在合成金刚石材料表面中的光学表面图案。合成金刚石材料的窗口是楔形金刚石窗口的形式，其中非平行主表面限定在1弧分至10°范围内的楔角，并且光学表面图案直接形成在一个或两个非平行中主要表面。还描述了一种激光系统，其包括光学元件和具有相干长度的激光器，其中激光器的相干长度大于楔形金刚石窗口在其最厚点处的厚度的两倍。

Description

合成金刚石光学元件
技术领域
本发明涉及合成金刚石光学元件。某些实施例涉及包括薄膜抗反射涂层的合成金刚石光学元件的替代物的提供。特定实施例涉及具有适合于高功率光学应用的光学、热和机械特性的合成金刚石光学元件，尽管如本文所描述的合成金刚石光学元件也可以用于其它应用中，其中由于包括机械鲁棒性、化学惰性、低吸收率和高导热性的因素，抗反射涂层的提供是不期望的。某些进一步的实施例涉及具有这些特性的透镜和双折射合成金刚石光学元件的提供。
背景技术
合成金刚石光学元件上的标准薄膜抗反射涂层在最小化反射方面具有优异的性能，但是由于它们易于被损伤而在高功率光学系统中受到限制。由于高吸收率和/或差的导热性，抗反射涂层倾向于是任何合成金刚石窗口中的弱点，导致合成金刚石窗口具有低激光诱发损伤阈值(LIDT)。此外，即使薄膜抗反射涂层的吸收水平是相对低的，在高功率密度光学应用中薄膜仍然可能失效。例如，对于20kW的红外激光系统，薄膜抗反射涂层的损伤是有问题的，并且当前的薄膜抗反射涂层解决方案不大可能与以40kW或更高功率工作的激光系统相兼容。这种高功率激光系统对于许多应用是所期望的，包括激光产生等离子体(LPP)极紫外(EUV)光刻系统，以将集成电路处理驱动到更小的尺寸。这种极端的光学应用将需要能够处理极端的功率密度的合成金刚石窗口，并且这将需要：(1)具有所需要的尺寸和所期望的包括低光学反射率/吸收/散射的体光学特性的合成金刚石材料；和；(2)能够处理极端的功率密度的抗反射表面加工的组合。薄膜抗反射涂层在例如如果受到刮擦或磨损的它们的机械完整性方面也可能是有问题的。
作为薄膜抗反射涂层的替代物，已知诸如蛾眼结构的抗反射表面图案可以直接形成在光学窗口材料的表面中，以便提供抗反射表面加工而没有涂层的需要。虽然已在一些光学窗口材料中成功地制造了这种抗反射表面图案，但是此技术在合成金刚石窗口的应用已被证明是有问题的。由于因金刚石材料的极端的硬度、低韧性和化学惰性而处理精确限定的表面图案在金刚石材料中的困难，因此这种表面加工的抗反射性能是易变的。由于它们包括具有不同取向和不同处理速率的金刚石晶粒的事实，多晶金刚石材料的表面处理进一步复杂。此外，在金刚石材料中形成抗反射表面结构所需要的处理方法已导致显著的表面和次表面晶体损伤被结合到金刚石材料中。合成金刚石窗口中的这种表面和次表面损伤引起许多相互关联的不利影响，包括：(1)合成金刚石窗口的激光诱发损伤阈值的降低；(2)合成金刚石窗口可能工作的功率的降低；(3)作为由表面和次表面损伤引起的射束畸变的结果，合成金刚石窗口的光学性能的降低。正因如此，期望开发一种将精确限定的抗反射表面结构形成到合成金刚石窗口中而不引入表面和次表面晶体损伤的处理，以便实现具有低吸收率、低反射率、高激光诱发损伤阈值和在透射通过合成金刚石窗口上具有最小射束畸变的高光学性能的合成金刚石窗口。另外，期望提供一种低成本、与现有材料处理相兼容并且在大面积上可扩展的处理。
WO2014/135544描述了一种处理，该处理将精确限定的抗反射表面结构形成在合成金刚石窗口中，而不引入显著的表面和次表面晶体损伤，以便实现具有低反射率、高激光诱发损伤阈值和在透射通过合成金刚石窗口上具有最小射束畸变的高光学性能的合成金刚石窗口。
WO2014/135547描述了一种类似的用于以在合成金刚石材料的至少一个表面上直接形成波带片、菲涅耳透镜或非球面透镜的形式制造精确限定的平透镜结构的处理。
WO2015/193156描述了一种用于将优化的光学表面结构直接制造成合成金刚石窗口的处理。这些结构包括直接形成在合成金刚石材料表面中的抗反射表面图案，以及也包括诸如四分之一和半波片的双折射光学元件，该四分之一和半波片是许多应用中的基本光学部件并且允许入射光的偏振被操纵。
发明内容
所有前面提及的公开都与将精确限定的光学表面结构直接形成合成金刚石部件，而不引入显著的表面和次表面晶体损伤有关，以便实现具有低光学吸收率、低反射率、高激光诱发损伤阈值以及在穿过合成金刚石部件的光射束透射上具有最小射束畸变的高光学性能的合成金刚石部件。
然而，已发现在某些应用中，使用这种合成金刚石部件仍然会发生显著的射束畸变。特别地，已发现在诸如某些激光产生等离子体(LPP)极紫外(EUV)光刻系统的某些应用中，干涉环将高斯激光射束形状扭曲为环形形状的激光射束轮廓，使得这样的合成金刚石窗口部件不适用于以前面在现有技术中所描述的形式的此应用。因而已确定修改现有技术的合成金刚石窗口部件的必要，以防止在某些应用中导致这种射束轮廓扭曲的寄生干涉模式。
问题的原因已被追溯到表面图案化的合成金刚石部件内的寄生内部反射，当光波行进在部件内从前表面到后表面到前表面的距离在导致干涉的激光器的相干长度内时，发生该寄生内部反射。取决于局部厚度，干涉产生相对高和低反射率的区域，其导致射束扭曲，特别是在反射中。这在激光系统中尤其是问题，其中激光器的相干长度大于合成金刚石部件的厚度的两倍。
通过在合成金刚石部件中引入小的楔角已解决前面提及的问题。根据本发明的第一方面，提供有一种光学元件，包括：由合成金刚石材料形成的窗口；以及直接形成在合成金刚石材料的表面中的光学表面图案，其中合成金刚石材料的窗口是楔形金刚石窗口的形式，该楔形金刚石窗口具有限定在1弧分至10°范围内的楔角的非平行主表面，并且光学表面图案直接形成在非平行主表面之一或两者中。可选地，对于某些应用，楔角在1弧分至5°、1弧分至60弧分、1弧分至30弧分、2弧分至10弧分、3弧分至8弧分或最优选的3弧分至6弧分范围内。楔角应足够大以降低或消除图案化的合成金刚石部件内的干涉的不利影响，同时足够小使得光学表面图案的制造不会不适当地被影响。如果楔角太大，那么这也可能不利地影响机械、光学和热性能，并且当集成合成金刚石部件在激光系统中时也可能引起安装和粘合问题。
由于部件特别适合于降低具有相对长的相干长度的激光系统中的干涉，因此根据本发明的第二方面，提供有一种激光系统，包括：具有相干长度的激光器；以及根据发明的第一方面的光学元件，其中激光器的相干长度大于楔形金刚石窗口在其最厚点处的厚度的两倍。
在具体实施方式中描述包括进一步的光学和优选特征的本发明的实施例。
附图说明
为了更好地理解本发明并且示出可以如何付诸实施本发明，现在将仅通过示例的方式参考附图来描述本发明的实施例，其中：
图1是楔形金刚石窗口的示意图示(为了说明的目的，与在本发明的实施例中使用的小得多的楔角相比，已增加了在图中的楔角)；
图2示出根据本发明的实施例的楔形和图案化金刚石窗口的平面视图；
图3(a)和图3(b)示出楔形和图案化金刚石窗口的截面视图；以及
图4(a)和4(b)图示标记楔形和图案化金刚石窗口的两种方法，使得可以在视觉上识别窗口的最厚和/或最薄部分。
具体实施方式
如发明内容部分所描述的，本发明的一个方面与光学元件的制造有关，该光学元件包括：由合成金刚石材料形成的窗口；以及直接在合成金刚石材料的表面中形成的光学表面图案，其中合成金刚石材料的窗口是楔形金刚石窗口的形式，该楔形金刚石窗口具有限定在1弧分至10°范围内的楔角的非平行主表面，并且光学表面图案直接形成在非平行主表面之一或两者中。
图1中示出楔形金刚石窗口的示意图示。已发现这种楔形和图案化的合成金刚石窗口在某些激光应用中有利于降低或消除射束畸变，特别是在利用相对长的相干长度的激光器的系统中。
楔形和图案化的金刚石窗口是通过开始于大体上平行面对的合成金刚石窗口，以受控角度研磨和/或抛光一个或两个表面以引入所期望的楔角，并且然后使用如本文所描述的光刻处理在一个或两个主面上图案化金刚石窗口以实现最终产品来制造的。依赖于楔角的尺寸和光刻设置，光刻处理可能需要垫片的使用以补偿楔形，即，使楔形表面变平用于光刻处理。
对某些应用，楔角在1弧分至10°、1弧分至5°、1弧分至60弧分、1弧分至30弧分、2弧分至10弧分、3弧分至8弧分、或最优选的3弧分至6分范围内。如前面所陈述的，楔角应足够大以降低或消除图案化的合成金刚石部件内的干涉的不利影响，同时足够小使得光学表面图案的制造不会不适当地被影响。如果楔角太大，那么这也可能不利地影响机械、光学和热性能，并且当集成合成金刚石部件在激光系统中时也可能引起安装和粘合问题。
通常，楔形金刚石窗口的最厚和最薄区域之间的厚度差异在30微米至100微米范围内。楔形金刚石窗口也通常具有在中心点处的在0.8mm至1.5mm范围内的厚度，以及在20mm至80mm范围内的直径。由于厚度的变化相对于其他尺寸是小的，因此难以视觉上地检测。正因如此，可以在楔形金刚石窗口上提供视觉上可检测的标记，指示楔形金刚石窗口的最厚点和/或最薄点。可能需要这样的标记来正确地对准和安装窗口，用于处理光学表面图案和/或用于在激光系统或次组件中的最终金刚石部件的正确对准和安装。
为了易于安装，楔形金刚石窗口的一侧或两侧上的光学表面图案可以仅形成在楔形金刚石窗口的中心区域中，并且由用于安装窗口的未图案化的边界区域包围。例如，光学表面图案可以具有在30mm至70mm范围内的直径。未图案化的边界区域可以具有大5至20mm的直径。
可以选择和控制金刚石材料和表面图案，以满足以下一个或更多个标准：
楔形金刚石窗具有在10.6微米处小于0.1％的反射率；
该光学图案或每个光学图案具有在633nm处小于1条纹的不规则性；
楔形金刚石窗口具有在633nm处小于1条纹的双通透射波前；以及
合成金刚石材料具有大于2000W/mK的导热率。
图2至图4图示了根据本发明的楔形和图案化的金刚石窗口的实施例。尺寸以毫米为单位给出。
图2示出包括由未图案化的边界区域包围的中心图案化区域的楔形和图案化的金刚石窗口的平面视图。图案化区域具有40.5mm(公差为±0.2mm)的直径，并且边界区域的外直径为47.0mm(公差为+0.0mm和-0.1mm)。
图3(a)和3(b)示出楔形和图案化的金刚石窗口的截面视图。多晶金刚石窗口具有成核面S1(较小的金刚石晶粒)和生长面S2(较大的金刚石晶粒)，4至6弧分的楔角，3°的侧边角，以及在窗口的中心点处的1.2±0.05mm的厚度。
图4(a)和4(b)图示了标记楔形和图案化的金刚石窗口的两种方法，使得可以视觉上地识别窗口的最厚和/或最薄部分。在图4(a)中，在窗口的最厚点处提供倒角标记，而在图4(b)中，在窗口的最厚点处提供激光雕刻标记。在图示中，标记也用作产品代码。
所图示的实施例具有以下产品规格：
1.材料：CVD金刚石，导热率>2000W/mK。
2.通光孔径(CA)：40.5±0.2mm。
3.楔形：4-6弧分，跨越部件直径的厚度变化＝55-82μm。
4.光学性能：
在CA@633nm的功率<1条纹，两侧
在CA@633nm的不规则性<1条纹，两侧
在CA TWF<1条纹，双通@633nm
全窗口反射率：0.02％<r<0.09％@10.6μm和@10.21μm
入射角：0°
偏振：圆形
这种楔形和图案化的金刚石窗口可以安装在激光系统中，用于诸如极紫外光刻的应用。这种激光系统包括具有相干长度的激光器和如本文所描述的光学元件，其中激光器的相干长度大于楔形金刚石窗口在其最厚点处的厚度的两倍。楔形和图案化的金刚石窗口在这样的系统中是有利的，因为相对长相干的激光射束不会由寄生内部反射不适当地扭曲。
涉及合成金刚石部件和光学表面图案化技术的进一步细节类似于WO2014/135544、WO2014/135547和WO2015/193156中陈述的那些，并且为了完整性陈述在下面。
本申请人已认识到，量子传感和量子信息处理领域中的高纯度单晶CVD金刚石材料的处理的发展可以转移到高功率多晶CVD金刚石激光光学领域，以实现具有低反射率和高透射率同时也具有低表面和次表面晶体损伤因而表现出高激光诱发损伤阈值的合成金刚石光学元件的制造。
在量子传感和量子信息处理领域中高纯度单晶CVD金刚石材料的使用的研究集中在金刚石晶体晶格内发现的一种特别的点缺陷，即负改变的氮空位缺陷(NV-)。NV-缺陷具有可以被操纵以用作量子比特或替代地作为量子传感元件的电子自旋。NV-缺陷可以被光学激发，使用微波操纵，并发射是其电子自旋状态的表征的荧光。
量子传感和量子信息处理应用的一个要求是NV-电子自旋缺陷应具有长的量子相干时间，并且这要求NV-电子自旋缺陷位于具有低浓度的晶格缺陷和低内应力的高纯度的金刚石晶格环境中，否则可能不利地降低设置在金刚石晶体晶格内的NV-电子自旋缺陷的量子相干时间。量子传感和量子信息处理应用的另一个要求是从NV-电子自旋缺陷发射的荧光需要从金刚石材料有效地外耦合到合适的处理器或检测器配置，并且为了有效地外耦合从NV-电子自旋缺陷发射的光子，在这方面期望制造纳米线、光学波导结构和光子腔结构在金刚石材料中。已使用电感耦合等离子体(ICP)蚀刻以制造这种光学结构。然而，已发现制造处理倾向于引入表面和次表面损伤在金刚石晶体结构中，其不利地影响耦合到光学表面结构的近表面NV-电子自旋缺陷的量子相干时间。此外，已发现期望的表面结构的质量和在期望的表面结构之间的不想要的蚀刻条(grass)的形成对所使用的蚀刻掩模的类型和蚀刻条件是敏感的。正因如此，为了允许用于近表面NV-电子自旋缺陷的光学外耦合结构的制造，而不引入大量的表面和次表面损伤在金刚石晶体结构中，而同时在金刚石表面中实现良好限定的光学结构，而在结构之间没有不想要的蚀刻条，发展用于金刚石量子器件的结构的团队的工作已集中在改进电感耦合等离子体(ICP)蚀刻处理。在许多公开中描述了此工作，包括：B.Hausmann et al.,Fabrication of diamond nanowires for quantuminformation processing applications，Diamond and Related Materials 19,621-629(2010)；M.Burek et al.,Free-standing mechanical and photonic nanostructures insingle crystal diamond,Nano Lett.2012；和US2001/0309265。
发展用于金刚石量子器件的结构的团队已实验了各种不同的气体流速、ICP功率和用于在单晶CVD金刚石材料中制造光学外耦合结构的压力的组合，而不引入大量的表面和次表面损伤在金刚石晶体结构中。例如，作为适用于此目的的，文献中报道了以下电感耦合等离子体反应离子蚀刻(ICP RIE)的配方：具有在30至50sccm O2之间的氧气流的氧蚀刻剂、约10mTorr的腔室压力、以及约700W的ICP功率。据报道此蚀刻配方允许非常良好限定的表面结构的形成，同时避免在所期望的表面结构之间的蚀刻条的形成。另外，据报道可以通过在蚀刻处理期间改变ICP功率来控制金刚石表面中的蚀刻光学结构的形状和数量。例如，在单晶CVD金刚石材料的表面中纳米线的制造中，报道了多步骤ICP RIE处理，包括施加700W的ICP功率达2分钟、600W的ICP功率达3分钟、以及1000W的ICP功率达5分钟。仍进一步的，在金刚石量子器件文献中报道了许多不同的蚀刻掩模，包括Al2O3颗粒、Au颗粒、SiO2颗粒、蒸发的Au和FOx电子射束抗蚀剂。
鉴于上面，显然发展用于基于金刚石晶格中缺陷的金刚石量子器件的结构的团队已成功地发展了ICP RIE处理，其能够在金刚石材料中形成良好限定的表面结构，而不在这种结构之间形成不想要的蚀刻条，并且不引入大量的表面和次表面晶体损伤。此技术已专门被发展用于在量子传感和量子信息处理应用中有效地外耦合从NV-电子自旋缺陷发射的荧光，包括为了有效地外耦合从NV-电子自旋缺陷发射的光子，在金刚石材料中纳米线、光学波导结构和光子腔结构的形成。
本申请人已认识到，在量子传感和量子信息处理应用中对诸如纳米线、光学波导结构和光子腔结构的外耦合结构的要求非常类似于在适合于高功率激光应用的透射金刚石窗口中更好的抗反射表面图案的制造的要求。也就是说，为量子传感和量子信息处理应用发展的蚀刻技术可以转移到透射光学领域中，以提供用于高功率激光应用的合成金刚石窗口，该合成金刚石窗口包括直接形成在合成金刚石窗口的表面中，并且具有低反射率和高透射率，同时也具有低表面和次表面晶体损伤因而表现出高激光诱发损伤阈值的诸如蛾眼图案的抗反射表面图案。虽然为量子传感和量子信息处理应用发展的蚀刻技术被用于蚀刻在包括荧光NV-缺陷的单晶CVD金刚石材料中的纳米线、光学波导结构和光子腔结构，但是根据本发明的实施例，蚀刻技术应用于低吸收率光学质量的金刚石材料，诸如高质量的多晶CVD金刚石材料，以在其中制造诸如蛾眼结构的低表面损伤的抗反射表面加工，并且因而产生具有低吸收率、低反射率和高激光诱发损伤阈值的组合的光学元件。
提供一种制造光学元件的方法，其包括：
在合成金刚石材料的至少一个表面上形成图案化的抗蚀剂层；
通过图案化的抗蚀剂层蚀刻合成金刚石材料的至少一个表面；以及
去除图案化的抗蚀剂层以留下直接形成在合成金刚石材料的至少一个表面中的抗反射表面图案，
其中蚀刻包括，例如，包括20至50sccm O2之间的氧气流速、5至20mTorr之间的腔室压力、以及600至1100W之间的ICP功率的电感耦合等离子体反应离子蚀刻(ICP RIE)处理。
可选地，电感耦合等离子体反应离子蚀刻处理包括其中的一个或更多个：25和35sccm O2之间的氧流速；7和15mTorr之间的腔室压力；以及700和1000W之间的ICP功率。电感耦合等离子体反应离子蚀刻处理也可以包括具有不同ICP功率的多个步骤，以控制抗反射表面图案的表面轮廓。此外，图案化的抗蚀剂层可以形成自其中之一：Al2O3颗粒；Au颗粒；SiO2颗粒；蒸发的Au和FOx电子射束抗蚀剂。实际上，选择抗蚀剂以耐受受控制的深蚀刻。例如，可以选择抗蚀剂以与具有等于或大于2μm、4μm、6μm、8μm或10μm高度的表面蚀刻特征的形成相兼容。
使用不同蚀刻化学的循环蚀刻也可以用于控制蚀刻和图案化处理。例如，除了例如如上面所描述的氧等离子体蚀刻之外，也可以使用诸如氯-氩等离子体蚀刻的卤素基蚀刻。
除了上面的之外，已注意到某些现有技术方法利用直写电子射束光刻处理在蚀刻之前图案化抗蚀剂。此直写电子射束光刻处理可能是有点耗时并且昂贵的。正因如此，根据可以提供更快并且更有成本效益的图案化抗蚀剂层途径的一种替代选择，提出使用干涉光刻技术形成图案化的抗蚀剂层。干涉光刻技术在本领域中已知用于在其他材料中形成蛾眼抗反射结构。例如，TelaztecTM利用此方法在一些材料中制造蛾眼抗反射结构。这里提出，用于图案化抗蚀剂的这种干涉光刻技术可以与低表面/次表面晶体损伤蚀刻技术组合，作为提供制造用于高功率激光应用的具有低吸收率、低反射率和高激光诱发损伤阈值的金刚石光学窗口的商业上可行方法的途径。
应用前面提及的方法，可以制造具有直接形成在合成金刚石材料的至少一个表面中的抗反射表面图案的合成金刚石光学元件，其中光学元件具有低吸收系数、低反射率和高激光诱发损伤阈值。然而，如发明内容部分所描述的，已发现在工业制造处理中以一致和可再生产的方式可以生产这种结构的其容易程度依赖于表面结构的几何形状和在金刚石材料中精确制造特定几何图案的能力。就这点而言，本申请人已发现增加金刚石材料中的蛾眼表面结构的周期具有如下面所描述的双重益处。
增加金刚石材料中的蛾眼表面结构的周期的第一益处是金刚石表面的抗反射特性对在表面平面内发生的与理想结构几何形状的偏差变得更不敏感。这对于增加蛾眼制造处理期间误差的余裕具有显著效果。
增加金刚石材料中蛾眼表面结构的周期的第二益处是对于理想的蛾眼表面，蚀刻区域的纵横比可以降低。这是因为理想的蚀刻深度对于任何结构周期是恒定的，并且因为理想的表面图案的填充分数仅随着周期的增加而略微改变。填充分数被限定为(一个周期单元中的表面结构的面积)/(整个周期单元的面积)。通过由增加表面结构的周期来允许蚀刻区域的纵横比的减小，在金刚石材料中无误差地蚀刻蛾眼结构的能力增加。
尽管增加结构周期降低了对制造误差的敏感性并且如上面所描述的增加了无误差地制造结构的能力，但是结构周期存在极限。在某个周期处，蛾眼表面将开始充当衍射光栅，并且光将从零光栅级丢失到另外的透射和反射光栅级。理想的结构周期由另外的非零光栅级被抑制的最大值确定。
此外，也已发现光学表面图案应具有在限定范围内的填充分数，填充分数限定为[在一个周期单元中的突出面积]/[周期单元的面积]。已发现基于二维填充分数参数的此面积对功能性能是重要的，并且不同于限定为[突出的宽度]/[周期单元的长度]的一维填充因子参数。就这点而言，应注意金刚石的光刻处理不导致完美形状的突出，并且因而一维填充因子参数不能容易地被转换为二维填充因子参数。
鉴于上面的，提供有一种光学元件，包括：
合成金刚石材料；以及
直接形成在合成金刚石材料的至少一个表面中的抗反射表面图案，
其中抗反射表面图案包括由沟槽分开的多个突出，突出以周期d间隔分离，
其中周期d在零级衍射极限的65％和99％之间，在其之上在工作波长λ处观察到非零衍射级
其中光学表面图案具有在0.1至0.6范围内的填充分数，填充分数限定为[在一个周期单元中的突出的面积]/[周期单元的面积]，以及
其中光学元件具有在10.6μm的波长处的在室温下测量的≤0.2cm-1的吸收系数。
周期d是抗反射表面图案中的突出的间隔，并且可以通过测量相邻突出的中心之间的距离(或更一般地，从一个突出上的点到相邻突出上的对应点的距离)确定。通常，理想的抗反射表面图案将是完美地周期的，使得抗反射表面图案中任何两相邻突出之间的间隔与抗反射表面图案中任何其他两相邻突出的一致。然而，从本讨论中将理解，通过确保周期d在零级衍射极限的65％和99％之间，可以耐受抗反射表面图案中的小偏差或变化。通过测量多个突出n上的距离并且然后除以(n-1)，可以容易地确定多个突出的平均周期。在这种情况下，平均周期应在零级衍射极限的65％和99％之间。
根据某些实施例，周期d可以不小于零级衍射极限的70％、80％、85％或87％，和/或不大于零级衍射极限的97％、95％或92％，和/或这些上限和下限的任何组合。
工作波长λ可以选自其中之一：10.6μm；2.2μm；1.06μm；633nm；532nm；355nm或266nm，但是不限于这些波长。
在工作波长λ处观察到其上面的非零衍射级的周期d的零级衍射极限可以如以下被计算：
其中θ和φ分别是极角和方位角，并且ns和ni分别是衬底和入射介质的折射率。对于空气-金刚石界面，ns＝2.38并且ni＝1。如果假设入射角垂直于金刚石表面，那么θ＝φ＝0，并且这些方程简化为：
dx＜λ/ns
dy＜λ/ns
如上面所描述的，增加抗反射表面图案的周期允许表面结构中的沟槽的深度比宽度的纵横比的降低。例如，抗反射表面图案的沟槽可以具有小于3、2或1.5的深度比宽度的纵横比。这种相对宽的沟槽更容易以更精确的方式制造在金刚石材料中。然而，应注意随着结构周期的增加，沟槽的所期望的深度保持恒定在约1.72微米。当增加结构周期时纵横比的降低源于增加蚀刻区域的宽度。在进一步增加结构周期时由于非零光栅级的出现，沟槽的纵横比被限制在约1.2的最小值。
上面的值是对于在10.6μm处工作的蛾眼结构中的深度比宽度的纵横比的。然而，通常当波长按比例放大或缩小时，此优选的纵横比将保持大约恒定。即使改变工作波长将影响所期望的结构周期，所期望的填充分数将保持相当类似，以及所期望的蚀刻深度将线性地缩放。例如，如果工作波长改变为5.3微米，那么蚀刻深度将缩放1/2，并且蚀刻宽度将缩放约1/2，留下纵横比大约不变。
抗反射表面图案可以包括具有各种形状的突起，包括例如方形、矩形、圆柱、孔或六边形。侧壁也可以具有一些锥度。已发现沟槽所期望的纵横比也依赖于被蚀刻的结构的形状。例如，已发现与圆柱相比，包括具有方形或矩形截面形状的突起的抗反射表面图案是有利的。对给定的填充分数和周期，周期方形结构沿着每个面保持恒定的间距(并且因此保持纵横比)。当考虑相同的填充分数和周期的圆柱结构时，圆柱之间的最小间距将显著地小于方形结构的恒定间距。由于此原因，与圆柱相比，蚀刻方形结构是有利的。作为示例，具有4μm的周期的为10.6μm优化的理想的方形结构将具有1.27的最小纵横比，而相同周期的圆柱结构将具有1.72的最小纵横比。
可选地，金刚石光学元件也可以具有以下特性中的一个或更多个：
在10.6μm的波长处在室温下测量的≤0.5cm-1、≤0.4cm-1、≤0.3cm-1、≤0.2cm-1、≤0.1cm-1、≤0.07cm-1或≤0.05cm-1的吸收系数；
在光学元件的工作波长处，在包括抗反射表面图案的表面处的不大于2％、1.5％、1％或0.5％的反射率；以及
满足以下特性之一或两者的激光诱发损伤阈值：
在10.6μm波长处使用脉冲激光器测量的激光诱发损伤阈值至少在30Jcm-2、50Jcm-2、75Jcm-2、100Jcm-2、150Jcm-2或200Jcm-2，脉冲持续时间为100ns，并且脉冲重复频率范围在1至10Hz范围内；以及
在10.6μm的波长处使用连续波激光器测量的激光诱发损伤阈值至少为1MW/cm2、5MW/cm2、10MW/cm2、20MW/cm2或50MW/cm2。
本领域技术人员可以容易地测量光学元件的吸收率、反射率和激光诱发损伤阈值(例如，ISO 21254-2：2011描述了用于测量激光器诱发损伤阈值的方法，而Sussmann etal.[Diamond and Related Materials],3,1173-117,1994]描述了激光损伤测试在CVD金刚石窗口中的特定应用。
应注意光学元件的反射率将依赖于工作波长，并且抗反射表面图案将被设计为对于特别的工作波长被优化。在用于光学元件的工作波长未知的情况下，可以测试一些波长以确定反射率最小化的位置，并且这将对应于为了本说明目的的工作波长。也就是说，可选地，工作波长选自其中之一：10.6μm；1.06μm；633nm；532nm；355nm；266nm或约235nm；对于某些商业应用，10.6μm的工作波长是优选的。
提供一种合成金刚石光学元件，其具有与低表面损伤和增加的激光诱发损伤阈值组合的低吸收率和低反射率。这被认为是用于高功率激光窗口和诸如透镜和衍射部件的其他高功率激光光学器件的参数的关键组合。
可选地，金刚石光学元件也可以具有以下特性中的一个或更多个：
在光学元件的工作频率处至少95％、97％、98％或99％的透射率；
在光学元件的工作频率处前半球中的总积分散射不大于2％、1％、0.5％或0.1％；
在145GHz处在室温下测量的≤2×10-4、≤10-4、≤5×10-5、≤10-5、≤5×10-6或≤10-6的介电损耗系数tanδ；
平均微特征密度不大于5mm-2、3mm-2、1mm-2、0.5mm-2或0.1mm-2；
使得任何3mm2面积内存在不多于5、4、3、2或1个微特征的微特征分布；
当用在2760cm-1至3030cm-1范围内的校正的线性背景测量时，不大于0.20cm-2、0.15cm-2、0.10cm-2或0.05cm-2的每单位厚度的积分吸收率；
不小于1800Wm-1K-1、1900Wm-1K-1、2000Wm-1K-1、2100Wm-1K-1或2200Wm-1K-1的导热率；
通过二次离子质谱法测量时不大于1017cm-3、5×1016cm-3、1016cm-3、5×1015cm-3或1015cm-3的硅浓度；
通过二次离子质谱法测量时不大于1018cm-3、5×1017cm-3、5×1016cm-3、1016cm-3、5×1015cm-3或1015cm-3的氮浓度；以及
氧终止的表面。
通过将如本文所描述的图案化技术应用于诸如可以从Element Six Limited得到的高质量光学等级的多晶CVD金刚石的高质量光学等级的合成金刚石材料，可以实现这种光学特性。也可以设想图案化技术可以应用于用于某些光学应用的光学等级的单晶CVD金刚石(也可以从Element Six Limited得到)。此外，除了多晶金刚石材料和单晶金刚石材料之外，如本文所描述的图案化技术也可以应用于平铺的单晶金刚石片，其中多个单晶金刚石衬底是互生的以形成包括多个单晶金刚石窗口或有效的单晶大面积金刚石片的单个光学片。图案化技术也可以应用于异质外延生长的单晶金刚石材料。
有利地，光学元件在金刚石光学元件的表面的至少50％、60％、70％、80％、90％或100％的面积上满足如本文所描述的一个或更多个光学特性，在其上形成抗反射衍射表面加工。就这点而言，金刚石光学元件可以制造为相对大的面积。例如，合成金刚石部件可以被制造为具有至少5mm、10mm、20mm、40mm、60mm、80mm、100mm、120mm或140mm的最大线性尺寸。可以制造具有等于或大于200μm、250μm、350μm、450μm、500μm、750μm、1000μm、1500μm或2000μm的厚度的这种合成金刚石部件。
有利地，通过生长到比最终光学元件所要求的更大的目标厚度，然后处理金刚石材料的成核面以去除早期成核的金刚石来制造合成金刚石材料。如背景技术部分中所指示的，现有技术方法的一个弱点是早期成核的金刚石被结合在最终的光学元件中，导致热导率降低和光学吸收率增加。通过生长合成金刚石材料到比最终光学元件所要求的更大的目标厚度，可能去除早期成核的金刚石，并且因而提供具有更高导热率和更低光学吸收率的光学元件。早期成核的金刚石的去除将不可避免地导致合成金刚石材料的强度的略微降低。然而，诸如Element Six Limited的制造商能够制造诸如多晶CVD金刚石晶片的合成金刚石材料的厚晶片，其具有使能早期成核金刚石的去除的高拉伸断裂强度，同时保持用于末端应用的足够的机械强度。例如，合成金刚石材料可以具有以下结构特性的一个或更多个：
合成金刚石材料的成核面的拉伸断裂强度的张力为：对于200至500μm的厚度，≥760MPa×n；对于500至750μm的厚度，≥700MPa×n；对于750至1000μm的厚度，≥650MPa×n；对于1000至1250μm的厚度，≥600MPa×n；对于1250至1500μm的厚度，≥550MPa×n；对于1500至1750μm的厚度，≥500MPa×n；对于1750至2000μm的厚度，≥450MPa×n；或对于≥2000μm的厚度，≥400MPa×n，其中倍乘因子n为1.0、1.1、1.2、1.4、1.6、1.8或2；以及
合成金刚石材料的生长面的拉伸断裂强度的张力为：对于200至500μm的厚度，≥330MPa×n；对于500至750μm的厚度，≥300MPa×n；对于750至1000μm的厚度，≥275MPa×n；对于1000至1250μm的厚度，≥250MPa×n；对于1250至1500μm的厚度，≥225MPa×n；对于1500至1750μm的厚度，≥200MPa×n；对于1750至2000μm的厚度，≥175MPa×n；或对于≥2000μm的厚度，≥150MPa×n，其中倍乘因子n为1.0、1.1、1.2、1.4、1.6、1.8或2。
这种合成金刚石材料可以处理为表面平整度≤5μm、≤4μm、≤3μm、≤2μm、≤1μm、≤0.5μm、≤0.2μm、≤0.1μm和/或表面粗糙度Ra不大于200nm、150nm、100nm、80nm、60nm、40nm、20nm或10nm。就这点而言，可以注意到Ra极限部分地由工作波长确定。前面提及的极限应用于中和远IR工作波长。对于可见工作波长，Ra极限通常更低。就这点而言，将注意对于单晶金刚石材料，可以实现远低于10nm的Ra。
通过降低材料的天然1.1％的13C含量，可以做出合成金刚石材料的导热性的进一步改善。正因如此，合成金刚石材料可以包括至少具有小于1.0％、0.8％、0.6％、0.4％、0.2％、0.1％、0.05％或0.01％的13C含量的部分。就这点而言，应注意同位素纯化的碳源气体是昂贵的。正因如此，不是从同位素纯化的金刚石材料制造整个光学元件，而是从同位素纯化的金刚石材料仅制造光学元件的部分是有利的。例如，合成金刚石材料的一个或更多个表面层可以由同位素纯化的金刚石材料形成，而内部体使用更高13C含量的，优选的天然丰度来制造。在一个特别有用的实施例中，包括抗反射表面图案的表面层由同位素纯化的金刚石材料形成，以便增加抗反射表面图案的导热率，并且因而降低局部加热并且增加抗反射表面图案的激光诱发损伤阈值。然后，合成金刚石材料的下面的部分可以包括更高浓度的13C，优选天然丰度，以降低合成成本。
本发明的抗反射表面加工可以形成在合成金刚石材料的大多表面上，例如，在至少50％、60％、70％、80％、90％上或在整个表面上。正因如此，抗反射衍射表面加工可以形成在至少25mm2、50mm2、100mm2、200mm2、300mm2、500mm2、700mm2、1000mm2、1500mm2、2000mm2、3000mm2、5000mm2、7000mm2、10000mm2、15000mm2或20000mm2的面积上。
图案化有抗反射表面加工的表面可以例如利用图案化有抗反射衍射表面加工的光学元件的大部分或整个光学出口和/或入射面形成金刚石窗口的主光学出口和/或入射面。在一些应用中，可能期望在透射光学元件的外围区域周围留下未图案化的部分，用于安装透射光学元件。可选地，抗反射表面图案形成在合成金刚石材料的至少两个表面上。例如，抗反射衍射表面加工可以形成在光学元件的光学入射面和光学出射面两者上，例如在金刚石窗口的相对主面上。替代地，对于某些光学元件，仅在光学元件的一个表面上需要低反射率，例如，分束器，其中在一个表面上需要部分反射。
上面在提供合成金刚石光学元件的背景下已描述了本发明，该合成金刚石光学元件包括直接形成在合成金刚石材料的表面中的抗反射表面图案。然而，如此说明书的背景技术部分所描述的，对于某些应用，需要提供双折射光学元件，并且出现类似的问题。正因如此，本发明的其他实施例提供一种合成金刚石光学元件，该合成金刚石光学元件包括直接形成在合成金刚石材料的表面中的双折射表面图案，并且其具有低的表面和次表面晶体损伤，因而表现出高激光诱发损伤阈值。这种双折射表面图案可以使用如本文所描述的制造技术直接形成在合成金刚石材料的表面中。抗反射表面图案和双折射表面图案之间的主要差异是双折射表面图案包括用于偏振的操纵的伸长的突出。也就是说，虽然它们的末端使用可能是很不同的，但是如本文所描述的抗反射表面图案和双折射表面图案在周期方面遵循相同的设计指导。也可以注意到，双折射光栅也将降低它们被设置于其中的表面处的反射，但是反射将不会降低到它们对优化的抗反射表面图案的程度。例如，依赖于双折射图案的确切设计，双折射表面图案处的反射将为约7％或8％。因而，根据某些配置，光学元件可以设置有在合成金刚石材料的一个表面中形成的双折射表面图案和在合成金刚石材料的另一个表面中形成的抗反射表面图案。
双折射次波长光栅可以形成在合成金刚石的表面中，具有必要的蚀刻深度以产生四分之一或是半波片。此方法相对传统的波片具有许多优点。例如，合成金刚石具有非常高的激光诱发损伤阈值，并且在室温下是极好的导热体。这意味着以金刚石制造的波片光栅可以用于最苛刻的高功率激光应用中，而不被损伤，并且不遭受其他材料典型的不利热效应。
次波长光栅是一种光栅，其中特征周期低于非零衍射级出现的极限。对于垂直入射的平面波，此极限由P<λ/max(ns,ni)给出，其中P＝周期、λ＝波长、ns＝衬底的折射率、并且ni＝入射介质的折射率。因为大多数现实世界的应用牵涉高斯射束而不是真正的平面波，所以最好设计低于前面提及的极限的90％的次波长光栅，即P<0.9*λ/max(ns,ni)。因为次波长光栅的特征尺寸相对于入射光的波长是小的，所以光栅好像是均匀介质起作用，其具有在衬底和入射介质的折射率之间的折射率。
制造双折射次波长光栅仅仅需要沿x和y轴具有非对称尺寸的特征。双折射次波长光栅的最简单设计是线性光栅，其中线的周期低于次波长极限。替代地，其他简单设计包括矩形(但不是方形)或椭圆的结构。这些结构可以使用如本文所描述的处理技术被蚀刻在金刚石的表面中。
当光与次波长光栅相互作用时，光栅被视为好像是具有某一折射率的均匀材料。光栅基本上可以被认为是具有在入射介质的有效折射率和衬底的有效折射率之间的有效折射率的薄膜。当次波长光栅结构在x和y轴之间为非对称时，光栅的有效指数在x和y轴之间也变得非对称。换句话说，非对称光栅被视为具有“快”和“慢”轴的双折射介质。通过控制双折射次波长光栅的深度，可能设计沿快轴对慢轴在偏振态之间具有设定延迟量的光栅。通过设计延迟为四分之一或是半波，使光栅成为有效的四分之一或半波片。
金刚石中的双折射次波长光栅相对传统波片的优点包括：更大的激光诱发损伤阈值；更高导热率的材料；尺寸仅限于金刚石窗口的可用尺寸；以及真正的零级波片的提供。
从高质量光学等级的合成金刚石材料制造并且包括如本文所描述的光学表面图案的光学元件由于其低反射率和高激光诱发损伤阈值而适合于高功率光学系统中使用。正因如此，提供有一种光学系统，包括：
包括如本文所描述的光学表面图案的合成金刚石光学元件；以及
光源(例如激光器)，该光源被配置为产生在至少300W、500W、1kW、3kW、5kW、10kW、15kW、20kW、25kW、30kW、35kW、40kW、45kW或50kW的功率下的光，并且通过合成金刚石光学元件透射所述光。
关于上面的，将注意所描述的光学系统的工作功率是显著低于先前限定的1MW/cm2的连续波激光诱发损伤阈值的。然而，应注意为了提供具有长工作寿命的光学元件，合成金刚石光学元件的激光诱发损伤阈值应显著高于光学系统的工作功率。
激光诱发损伤阈值(LIDT)是此发明的实施例的关键动因之一，并且依据功率密度被测量。就这点而言，可以注意到高功率密度不必然意味着高工作功率，尽管高工作功率通常伴随高功率密度。现在，目前的系统在1和10kW/cm2之间的功率密度处工作，而预期进一步增加至100kW/cm2。如果我们假设具有20kW的CW功率的激光，20mm、40mm或60mm的1/e2射束尺寸，并且射束是高斯的(窗口中心处的功率密度～2x平均功率密度)，那么我们在合成金刚石光学窗口的中心处分别得到12.7kW/cm2、3.2kW/cm2和1.4kW/cm2的CW功率密度。那么依赖于脉冲长度和重复率，峰值功率密度将显著地更高。根据光学系统的实施例，光源(例如激光器)因而可以被配置为产生在至少1kW/cm2、3kW/cm2、5kW/cm2、10kW/cm2、20kW/cm2或50kW/cm2的功率密度处的光，并且透射所述光通过合成金刚石光学元件。
可选地，光学系统也可以提供用于冷却合成金刚石光学元件的冷却系统。就这点而言，本发明人已注意到Element Six的光学等级的合成金刚石材料在低温下显示出吸收的大大降低。对于某些其他金刚石材料，此影响没有被看见达到相同的程度。
虽然已参考实施例具特别地示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离通过所附权利要求限定的发明的范围下，可以在形式和细节上做各种改变。

Claims (18)

1.一种光学元件，所述光学元件包括：
由合成金刚石材料形成的窗口；以及
直接在所述合成金刚石材料的表面中形成的光学表面图案，
其中合成金刚石材料的所述窗口是楔形金刚石窗口的形式，该楔形金刚石窗口具有限定在1弧分至10°范围内的楔角的非平行主表面，并且所述光学表面图案直接形成在所述非平行主表面之一或两者中。
2.根据权利要求1所述的光学元件，
其中所述楔角在1弧分至5°范围内。
3.根据权利要求1或2所述的光学元件，
其中所述楔角在1弧分至60弧分范围内。
4.根据任一前述权利要求所述的光学元件，
其中所述楔角在1弧分至30弧分范围内。
5.根据任一前述权利要求所述的光学元件，
其中所述楔角在2弧分至10弧分范围内。
6.根据任一前述权利要求所述的光学元件，
其中所述楔角在3弧分至8弧分范围内。
7.根据任一前述权利要求所述的光学元件，
其中所述楔角在3弧分至6弧分范围内。
8.根据任一前述权利要求所述的光学元件，
其中所述楔形金刚石窗口的最厚区域和最薄区域之间的厚度差异在30微米至100微米范围内。
9.根据任一前述权利要求所述的光学元件，
其中在所述楔形金刚石窗口上提供标记，该标记指示所述楔形金刚石窗口的最厚点和/或最薄点。
10.根据任一前述权利要求所述的光学元件，
其中所述楔形金刚石窗口具有在中心点处的在0.8mm至1.5mm范围内的厚度。
11.根据任一前述权利要求所述的光学元件，
其中所述楔形金刚石窗口具有在20mm至80mm范围内的直径。
12.根据任一前述权利要求所述的光学元件，
其中所述光学表面图案或每个光学表面图案形成在所述楔形金刚石窗口的中心区域中，并且所述光学表面图案或每个光学表面图案由未图案化的边界区域包围以安装所述窗口。
13.根据任一前述权利要求所述的光学元件，
其中所述光学表面图案或每个光学表面图案具有在30mm至70mm范围内的直径。
14.根据任一前述权利要求所述的光学元件，
其中所述楔形金刚石窗口具有在10.6微米处小于0.1％的反射率。
15.根据任一前述权利要求所述的光学元件，
其中所述光学图案或每个光学图案具有在633nm处小于1条纹的不规则性。
16.根据任一前述权利要求所述的光学元件，
其中所述楔形金刚石窗口具有在633nm处小于1条纹的双通透射波前。
17.根据任一前述权利要求所述的光学元件，
其中所述合成金刚石材料具有大于2000W/mK的导热率。
18.一种激光系统，所述激光系统包括：
具有相干长度的激光器；以及
根据任一前述权利要求所述的光学元件，
其中所述激光器的所述相干长度大于所述楔形金刚石窗口在其最厚点处的厚度的两倍。
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