TW200905022A - New laser uses for single-crystal CVD diamond - Google Patents

Description

200905022 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於鑽石之雷射相關用途，特別是一種在沉積室内利用 微波電漿化學氣相沉積法所製造之單晶鑽石的雷射相關用途。 【先前技術】 鑽石除了是珠寶外，也是目前已知材料中最硬及導熱率最高者， 而且，多數電磁輻射可穿透鑽石。由於鑽石具有高拉曼頻率位移(Raman frequency shlft，cm-丨)及非常高的拉曼增益係數讲啦肪 coefficient, g>15 cm · GW'')[G.A. Pasmanik, Laser Focus World 35, 137(1999)] ’所以鑽石也是用來產生受激拉曼散射⑼imukted

Raman scattering，SRS)的晶體中最令人感興趣的。尤其是單晶鑽石具有許多重 要的性質，包含：低熱膨脹係數、已知導熱率中最高者、化學惰性、 抗磨耗、低摩擦力以及對紫外光至紅外光（IR)均具有光學可 牙透性。因此，鑽石的價值除了來自它本身是珠寶外，也因其廣泛應 用於大量工業與研究領域。 至少在最近二十年間，利用化學氣相沉積製程來生產少量的鑽石 已經是可行的。如 Β· V. Spitsyn 等學者於“Vapor Growth of Diamond on Diamond and other surfaces", Journal of Crystal Growth, vol. 52, pp. 219-226該篇文獻所發表’此種製程，係利用曱烷或另一種簡單的碳氫 化合物氣體與氫氣之混合物，在低壓以及800-1200DC之溫度下，於一 塊基板上利用化學氣相沉積法（CVD)生成鑽石。氣體成分中的氫氣 可避免鑽石於成核和成長時生成石墨相。根據發表，此種技術之鑽石 生長速率已可達1 ym/hour。 後、買的研九工作’例如Kamo等人於“Diamond Synthesis from Gas Phase m Microwave Plasma；5 Journal of Crystal Growth, vol. 62, 200905022 pp.642-644該篇文章所發表，已顯示利用微波電聚化學氣相沉積法， 於1至8kPa之壓力' 800至1〇〇〇。(：之溫度、300至700W之微波功率 及2.45 GHz之微波頻率下生成鑽石。Kamo等學者所發表之製程係使 用濃度介於1至3%之曱院氣體。此種微波電衆化學氣相沉積製程之最 大生長速率據發表已可達3 μηχ/1ι·。在上述及料其他已發表的製程 中，生長速率均侷限於每小時僅僅數微米。 然而，近期的努力成果已經提升了微波電漿化學氣相沉積製程之 鑽石生長速率、品質及大小。

Hemley等人之美國專利號碼6,858,〇78之專利，指出用來生產鑽石 之ό又備和方法’其詳細内容於此不再重複贅述。 於2006年5月23日申請之美國專利申請號11/438,260之專利指 出在’儿積至内’彻微波電II化學氣相沉積，於快速生長速率下生產 出無色單晶鑽;5 ’其詳細内容於此不再重複贊述。 於2006年11月15曰申請之美國專利申請號11/599,361之專利指 出於決速生長速率下所生產之無色單晶鑽石之新用途，其詳細内容於 此不重複。該巾請案亦同時指出於快速生長速率下生產不同顏 色之單ΗΒ鑽石的H以及此種有色單晶鑽石的新用途。 日守至今日’伽單晶鑽石作為雷射裝置元件的嘗試依舊相當罕見。 於1995年5月3〇日所公告之美國專利號碼s’·，·之專利，指 出種口―射’其包含用以作為雷射光發射介質之合成鑽石，其能 產生波長為225到姻nm之雷射光。該發明所使用的合成鑽石是藉由 南壓方法生成，而非化學氣相沉積。 於2003年11月23 R八止、’ 士 月3日么告之吳國專利號碼6,667,999之專利，揭露 作為絲可輯之熱料介f，來冷卻高鱗雷射缝 為或放大爾置和方法。該篇專利並未揭露细單晶化學氣相沉積 200905022 鑽石作為熱傳導介質。 於2003年6月3日公告之美國專利號碼6,574,255之專利，揭露 外腔式光學激升（extemal cavity 〇ptically_pimped)半導體雷射，其可 包含單晶化學氣相沉積鑽石薄膜。 因此，目珂確有必要開發單晶化學氣相沉積鑽石在雷射相 的新用途。 【發明内容】 有於此’本發明係為單晶化學氣相沉積鑽石在雷射方面的新用 途，包含作為頻率轉換器。 本發明之其他特徵和優點將於接τ來的綱巾提出，透過以下說 "月徵和優點是相當顯而易見的’當然亦可藉由實施本發明而 k中于14知。本發明之標的和其餘優點可藉由發明說明中特別指出 之結構、申請專利範圍以及附加圖式得知。 為了達成本㈣之目的及難優點，本發.其巾-實施例中包 ^具有鑽石元件之雷射裝置，其改良之處在於鑽石元件包含單晶化學 氣相L積鑽石（即利用化學氣相沉積法所製造之單晶鑽石）。 ^另-實施例中’鑽石树之製造方法包含：控制鑽石生長表面 之/皿又’使生長中之鑽石晶體溫度维持在_至刚。c的範圍内，鑽 石=置在-個由高缝和高熱導率的材質所製成之熱練台（W sm Oder)上，以最小化通過鑽石之生長表面的溫度梯度，在磨力大 於胸汀之沉積室中，利用微波電浆化學氣相沉積法，於鑽石的生長 2上開始生長早晶鑽石，其中沉積室内的氣氛之⑽氯氣（⑶彻） ;辰度比係為約略8%至約略30%。 在另’'蝴中’用以生成鑽石之熱塾載台包含翻，翻係為一種 成點和高熱導率的材質，其熔點為wc，在溫度為2981時之熱 200905022 導率為 1.38 W/em K。 在另-實施例中’所有通過鑽石生長表面之溫度梯度均小於約略 30〇C。 在另以&例巾，所有通過鑽石生長表面的溫度梯度均小於約略 20〇C。 曲在另-實施例之單晶鑽石之製造方法中，沉積室内的之氧氣/甲烧 濃度比係為約略5%至約略25%。 單曰曰化予氣相>儿積鑽石元件在雷射方面的特定贱包含熱塾（或

是光學可穿透之_介質）、鮮轉換器、光學窗、拉曼頻率位移器、 增盈源及其他光學元件D .本發明之另—實施例係將單晶鑽石作為拉曼雷射頻率轉換器之三 階非線性結晶材料。 【實施方式】 因為合.成鑽石具有非常極端的物理性f，例如高硬度與高熱導 率，所以紅業上和科學上具有料廣泛的朗。由於具有高拉曼頻 率位移（Raman _應y shlft，1332. W1)和非常高的拉曼增益 #4t(Raman gam coeffic.nt, g>15 cm · GW-)[GA. Pasmanlk^Γγ F謂編d35, 137(1999)] ’鑽石具有潛力可成為用來產生受激拉曼散 ’射(s—d Ra麵scaitenng，SRS)之優異結晶體。在其不久之後$將 «的-篇文獻’證實了對拉曼雷射頻率轉換器而言，單晶化學氣相 沉積鑽石的確是非常有效的受激拉曼散射結晶材料。 ； 詳細之製造單晶化學氣相沉積鑽石的方法，已見於美國專利申請 號碼11/599,361之專利’其詳細内容於此不再重複費述。 本發明之各實關練·〗圖來餘 11^細單晶化學 氣相沉積鑽石作減壑之雷射裝置剖關，係為激升雷射增^質: 200905022 -實施例’包含主動雷射介質⑻及反射鏡103、]〇4。雷射係由增益 介質和光學共振腔所組成，增益介質將外界能量1〇2轉換成雷身^ 1〇5。被吸收而沒有轉換成雷射能之激升能量會轉變成熱能且 除。一或多個触腸熱連接於主動雷射介質，以移除不必要的熱能: 舉例而言，主動雷射介質或增益介質1〇1可以是固態增益介質， 例如掺純銘石權石（Nd:YAG)材料，或者在某些實施例中，其係為 單晶化學IU目沉積鑽石。—般而言，熱脑動路徑係沿雷射增益介質 102之第一表面之轴向。 ' 如本技術所悉，以能量激升雷射增益介質之動作會在雷射增益介 質内部產生受激放射雷射能。因為雷射增益介f所吸收之激升能量 中僅有邛伤被用在受激放射過程，所以那些被吸收但是未用在促 進受激放射之能量’將在雷射增益介質内產生熱能，這些在雷射增益 介質内所產生之熱能可能會導致—些問題。因此，利用—個同時光轉 合及熱Μ合於雷射增益介質1〇2之熱# 1〇6來排除這些熱能，是非常 重要的。熱姉於雷射光波長和激升波長二者而言，應為實質上光學 可穿透此外，熱塾相較於主動介質而言，具有非常高之熱導率。 /在其中-個實施例裡面，熱鲁慨包含單晶化學氣相沉積鑽石， 其係為具有上述所需性質之材料。 查106 ’熱塾106本身並不會自雷射 _出吸收大s的熱因其在此雷射頻率下是實質上可穿透的。來自 :射M 1〇2表面之熱能係藉由触傳向—細來散熱之熱交換 器，以冷卻雷射增益介質之内部。 +在〃他中’單晶鑽石在其他型式的雷射中亦可被用作為熱 土 c亚不以下列為限，包含：厚碟型雷射(脑k齡^麗)(例：換铷 崔匕盖豕石權石 1〇〇 ~π*丄r- 乂下之厚碟型雷射），之字形放大器（zig-zag 200905022 amplifiers)(例 ’ Nd and Yb : mostly YAG，大約 5000 W)，單模光纖雷射 (single-mode fiber lasers)(例，mostly Yb : silica 1000 W 單模光纖雷射）， 棒形雷射(rod lasers)(例，Nd and Yb: mostly YAG 1000 W 棒形雷射）， 及薄碟形放大器或薄蝶形雷射(thin-disk amplifiers or lasers)(例，Nd and

Yb : mostly YAG，2000 W)。在一較佳實施例中，單晶化學氣相沉積鑽石 係在薄碟型雷射中作為熱壑材料之用，薄碟型雷射可立即被單晶化學 氣相沉積鑽石所冷卻。 ί、

第2圖係以單晶化學氣相沉積鑽石作為熱壑之碟型雷射頭示音、 圖，包含雷射晶體203，其遠小於雷射光波長，因此所產生的熱主要係 經由端面被抽出，意即，經由長度方向而非截面方向。在一實施例中， 雷射晶體203係為厚度約100至細师之碟型摻鉉纪銘石權石，熱塾 204係熱連接和物理連接於雷射晶體2〇3，冷卻的端面具有介電塗層 2〇5 ’用以反射雷射光和激升光（pump radiati〇n)。在其他實施例中， 另一熱壑可物理連接和熱連接於雷射晶體2〇3之其他表面。 用來產生激升光2〇1之激升儀器係為了多迴徑激升光（腦蛛 =aSses〇fthep_pradiatl〇n)而設置，其並未繪製於第2圖中。藉由熱 整’使熱自熱整之長度方向上被抽丨，使熱透鏡效應㈤咖心㈣ effect)減至最低，因此獲得品f良好之雷射光以及穩定的運作。 在本發明之另—實施例中，熱#包含單晶化學氣相沉積鑽石。 。在本發明之另—實施例中，—或多個_包含根據美國專利申請 號碼11/599,361之專利所生產之單晶化學氣相沉積鑽石。 利用本中請案所揭露之方法所生產之鑽石具有.的大小、益缺 陷Γ=，因此其在雷射裝置上非常有用，例：雷射輸出窗和光學 兀件、拉曼位移器、增益源、雷射放射媒介、增益介質、.頻率 轉換為及㈣作輪曼雷射頻率轉換器之三階非線性結晶材料。 10 200905022 而在上述雷_途中所使用之單晶鑽石，可依據錢專 碼n/599,361之專利所揭露之方法製造而得，同時亦可 ^ 例如，美國專利號碼獅和美國專利申請 ㈣2 ’ 之方法來tit。 /438，·所揭露 日㈣技術内容已經以較佳實施觸露如上，社並非用以 限疋本發明’任何熟習此技蓺 x 動與潤飾，皆應_減/ ★ 本精神所作些許之更 附之申靖專^J的轮動’因此本發明之保護範圍當視後 關所界定者鱗。 【圖式簡單說明】 第1圖係以單晶化學氣相、、”接冰 第2圖係以單晶化_目4鑽石作為熱壑之雷射裝置剖面圖。 【主要元件符號^^讀鑽石作為熱壑之碟型雷射頭示意圖 102 · 103 · 104 105 ·.. 106 . 201 ... 203 ·.. 204 ·.. 205 ·.. 主動雷射介質 外界能量 反射鏡 反射鏡 雷射光 熱壑 激升光 雷射晶體 熱％ 介電塗層

Claims (1)

1. 200905022 十、申請專利範圍： 1. -種雷射裝置，具有-鑽石树，其改良在於：該鑽石元件包含一單晶 化學氣相沉積鑽石。 2. 如請求項1之雷射裝置，其中該單晶化學氣相沉積鑽石之製造方法包含 下列步驟： ⑴&制鑽石t生長表面的溫度，使生長巾之鑽;s晶體溫度維持在 900至14GG°C的範圍内’鑽石係安置在由高雜及高熱導率的材質所製 成之-熱壑載台上’用以最小化通過鑽石之該生絲面的溫度梯度；及 ⑻在壓力大於150托爾（t〇rr)之一沉積室巾，利用微波電聚化學 氣相沉積法於鑽石之該生長表面生長單晶鑽石，且該沉積室内的氣氛 之甲烧/氫氣濃度比係為約略8〇/〇至約略3〇%。 3·如。月求項2之雷射裝|，其中該熱塾載台之材質包含翻，銦的炫點為 2617C ’在溫度為298.2K時之熱導率為138w/cmK。 4. 士《月求員2之田射|、置’其中通過鑽石之該生長表面的全部溫度梯度均 小於約略30°C。 5. 士月长頁2之田射破置，其中通過鑽石之該生長表面的全部溫度梯度均 小於約略20°C。 6. 士月长貞2之田射錢，其中該單晶鑽石之製造方法更包含下列步驟： 二n儿積室的氣氛之氧氣/甲烧濃度比為約略5%至約略。 7. 1雷射頻率轉換器，包含—單晶鑽石。 8. 士月长頁7之田射心置的頻率轉換器，其中該單晶鑽石係藉由化學氣相 沉積法所製造。 9· 種拉曼雷射頻率轉換哭，4入 城一包含—單晶鑽石。 1()·-種扳曼雷射頻率位移 夕益包含—單晶鑽石。 移器，其中該單晶鑽石係藉由化學氣相 11.如知求項10之拉曼雷射頻率位 12 200905022 沉積法所製造。 】2·如:求項11之拉曼雷射頻率位移器，其中該單晶化學氣相沉積鑽石之 之製造方法包含下列步驟： 千孔相讀鑽石之 〇·)控制鑽μ長表面之溫度，使生長中之 至1400°C的範圍内，鑽石俜 篮4維持在900 之-埶塾載么上，用以、尚炫點和高熱導率的材質所製成 ⑹上二 過鑽石之該生長表面的溫度梯度;及 ^ _ (torr)之沉積室中，利用微波電漿化學氣 :臟鑽石的生長表面開始生長單晶鑽石 二= 曱似虱氣濃度比係為約略8%至約略30%。 、_錢之 13.如請求項12之拉曼雷射頻率 林位知，其巾賴麵台包含鉬。 •如叫求項12之拉曼雷射頻率位移器， 有溫度梯度均小於約略3(fc。 '、 ’’之该生長表面的所 15. 如請求項12之拉曼雷射頻率位 有溫度梯度均小關略2G°C。。，、I過鑽石之該生長表面的所 16. 如請求項12之拉曼雷射 包含下列步驟： 车位其中該單晶鑽石之製造方法中更 控制沉咖的氣氛之氧氣/甲燒濃度比為約略 18咖1之娜置，其中該鑽石元件係為-頻率轉換哭 18·—種拉曼雷射頻率棘換哭夕_ 、牛轉換口口 19·如請細之拉曼雷射生結f材料’包含一單晶鑽石。 晶鑽石細纖她^；三階她結晶材料，其中該單 2。·=項Γ拉曼雷射頻率轉二非線性結晶材料，包含—單 日日鑽石，其中該單晶鑽石之製造方法包含下列步驟· 早 (i)控制鑽石之該生長表面 _至iWC的範圍内，鑽石‘二=長中之鑽石晶體溫度維持在 '、置在由间熔點和尚熱導率的材質所製 23 200905022 成之一熱壑載台上，用以最小化通過鑽石之該生長表面的溫度梯度；及 (ii)在壓力大於150托爾之沉積室中，利用微波電漿化學氣相沉積 法於鑽石之該生長表面開始生長單晶鑽石，且該沉積室内的氣氛之曱 烧/氫氣濃度比係為約略8%至約略30%。 k 14