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Aug 08, 2023

Diamante y Láser: Una poderosa combinación

A medida que los mercados de la fotónica impulsan el desarrollo de potencias cada vez mayores para una gama de sistemas láser, los materiales láser tradicionales se enfrentan cada vez más al desafío de lidiar con altas densidades de potencia óptica.

A medida que los mercados de la fotónica impulsan el desarrollo de potencias cada vez mayores para una variedad de sistemas láser, los materiales láser tradicionales enfrentan cada vez más desafíos para lidiar con altas densidades de potencia óptica y grandes cantidades de calor residual. Se necesitan soluciones novedosas.

Se sabe desde hace mucho tiempo que el diamante tiene propiedades excepcionales en una variedad de áreas, desde baja absorción en varias longitudes de onda clave, la conductividad térmica más alta de cualquier material a granel, hasta excelentes propiedades mecánicas; sin embargo, a partir de fuentes históricas era difícil obtener alta calidad. Materiales con dimensiones fiables y grandes. El diamante sintético de alta presión y alta temperatura (HPHT) ha estado disponible durante más de cincuenta años; sin embargo, sus propiedades y tamaños disponibles han limitado su aceptación en aplicaciones fuera de las aplicaciones mecánicas.

La pureza del proceso ha permitido una variedad de aplicaciones a lo largo de los años debido a su alta calidad y disponibilidad en grandes tamaños...

Un método alternativo para fabricar diamantes policristalinos y monocristalinos que aborda algunas de las limitaciones es mediante la deposición química de vapor (CVD), que se ha vuelto cada vez más viable comercialmente en los últimos 15 años. En este proceso, los gases que contienen especies de carbono en un portador de hidrógeno a granel se calientan mediante microondas a temperaturas superiores a 2000 K. Con un control cuidadoso de los parámetros del sistema y la calidad de la materia prima, este método ha hecho posible obtener diamantes con una pureza excepcionalmente alta, con, por ejemplo, Los niveles de fondo de defectos de nitrógeno en diamantes monocristalinos medidos son inferiores a 5 partes por mil millones y diámetros de material policristalino de hasta 140 mm. La pureza del proceso ha permitido una variedad de aplicaciones a lo largo de los años debido a su alta calidad y disponibilidad en tamaños grandes, incluidas ventanas ópticas de alta potencia, ventanas para espectroscopia infrarroja de banda ancha, disipadores de calor para la industria de semiconductores, electrodos conductores dopados con boro y Ventanas de girotrón para el desarrollo de la energía de fusión.

El diamante tiene una amplia banda prohibida de 5,45 eV, lo que significa que el corte de longitud de onda corta para el diamante es de alrededor de 230 nm, mientras que el material es en gran medida transparente hasta bien entrada la región de las microondas debido a la simetría del enlace. Por lo tanto, las aplicaciones ópticas cubren una amplia gama de longitudes de onda, lo que permite que diferentes sistemas láser aprovechen la alta conductividad térmica del diamante de diversas formas.

La aplicación óptica más madura del diamante CVD de alta pureza es como acopladores de salida de láseres de CO2; estas piezas se venden desde hace más de 15 años. Más recientemente, a medida que las densidades de potencia en los sistemas han aumentado, partes de la línea de luz de 10,6 μm, como divisores de haz y lentes, podrían fabricarse con diamante. La aplicación se basa en cuatro propiedades clave:

Eso sí, cabe señalar que en algunos usos la naturaleza policristalina del elemento óptico limitaría su uso; sin embargo, la estructura cúbica del diamante permite que el impacto de múltiples orientaciones cristalinas en la película sobre el rendimiento sea mínimo. Sin embargo, en longitudes de onda más cortas hay algunas aplicaciones en las que la birrefringencia y la dispersión típicas del diamante policristalino limitarían la eficacia y se requieren soluciones monocristalinas.

Desde la invención del láser de disco delgado en la década de 1990, se ha convertido en una herramienta preferida para aumentar la densidad de potencia a partir de un material de ganancia determinado. Desde láseres de corte de alta potencia de sistemas basados ​​en YAG hasta potencias más altas en longitudes de onda más difíciles de alcanzar a partir de materiales semiconductores de ganancia en una configuración de láser de emisión de superficie de cavidad externa vertical (VECSEL), el diamante permite excelentes cualidades de haz a alta potencia debido al flujo de calor axial. a través de una dimensión corta hacia un disipador de calor.

Debido a su alta conductividad térmica, el diamante policristalino se ha utilizado durante mucho tiempo como disipador de calor en el exterior de la cavidad en estos sistemas; sin embargo, a medida que aumentan las densidades de potencia, incluso el enfriamiento del diamante en la parte posterior del material de ganancia y la pila de espejos no es suficiente y la calidad del haz disminuye. Históricamente, la birrefringencia y la dispersión del diamante policristalino han limitado su uso en la cavidad de los láseres de longitud de onda corta (que normalmente funcionan alrededor de 1 µm).

Para un mayor escalado de potencia, se requiere un producto de diamante de baja absorción, baja birrefringencia y área más alta con una conductividad térmica extremadamente alta que pueda colocarse en el disco delgado, dentro de la cavidad. Debido a sus tamaños de punto más pequeños, esto ya se ha logrado en los láseres VECSEL y se ha demostrado que ofrece un aumento de potencia de hasta dos órdenes de magnitud antes de averiarse. A medida que aumentan las áreas disponibles, otros láseres de disco pronto podrían ver una escala similar de densidad de potencia.

Escrito por el Dr. Andrew Bennett, investigador científico principal de Element Six.