Blog

Aug 08, 2023

Diamante e laser: una combinazione potente

Poiché i mercati della fotonica guidano lo sviluppo di potenze sempre più elevate per una gamma di sistemi laser, i materiali laser tradizionali si trovano ad affrontare sempre più sfide nel gestire le elevate densità di potenza ottica

Poiché i mercati della fotonica guidano lo sviluppo di potenze sempre più elevate per una gamma di sistemi laser, i materiali laser tradizionali si trovano ad affrontare sempre più sfide nel gestire le elevate densità di potenza ottica e le grandi quantità di calore di scarto. Sono necessarie nuove soluzioni.

È noto da tempo che il diamante ha proprietà eccezionali in una vasta gamma di aree, dal basso assorbimento a un certo numero di lunghezze d'onda chiave, la più alta conduttività termica di qualsiasi materiale sfuso, alle eccellenti proprietà meccaniche, tuttavia da fonti storiche era difficile ottenere un'alta qualità materiali con dimensioni affidabili di grandi dimensioni. Il diamante sintetico ad alta pressione e alta temperatura (HPHT) è disponibile da più di cinquant'anni, tuttavia le sue proprietà e le dimensioni disponibili ne hanno limitato l'utilizzo in applicazioni esterne alle applicazioni meccaniche.

La purezza del processo ha consentito una vasta gamma di applicazioni nel corso degli anni grazie alla sua elevata qualità e disponibilità in grandi formati...

Un metodo alternativo per produrre diamanti policristallini e monocristallini che risolve alcune delle limitazioni è tramite la deposizione chimica da fase vapore (CVD), che è diventata sempre più praticabile dal punto di vista commerciale negli ultimi 15 anni. In questo processo i gas contenenti specie di carbonio in un vettore di idrogeno sfuso vengono riscaldati dalle microonde a temperature superiori a 2000 K. Con un attento controllo dei parametri del sistema e della qualità della materia prima, questo metodo ha reso possibile il diamante con una purezza eccezionalmente elevata, con, ad esempio, livelli di fondo di difetti di azoto nel diamante monocristallino misurati inferiori a 5 parti per miliardo e diametri del materiale policristallino fino a 140 mm. La purezza del processo ha consentito una vasta gamma di applicazioni nel corso degli anni grazie alla sua elevata qualità e disponibilità in grandi dimensioni, tra cui finestre ottiche ad alta potenza, finestre per spettroscopia a infrarossi a banda larga, diffusori di calore per l'industria dei semiconduttori, elettrodi conduttori drogati al boro e finestre di girotroni per lo sviluppo dell'energia da fusione.

Il diamante ha un'ampia banda proibita di 5,45 eV, il che significa che la lunghezza d'onda corta del diamante è di circa 230 nm, mentre il materiale è in gran parte trasparente ben nella regione delle microonde a causa della simmetria del legame. Pertanto le applicazioni ottiche coprono un'ampia gamma di lunghezze d'onda, consentendo a diversi sistemi laser di sfruttare l'elevata conduttività termica del diamante in vari modi.

L'applicazione ottica più matura del diamante CVD ad elevata purezza è come accoppiatori di uscita dei laser CO2, con queste parti vendute da oltre 15 anni. Più recentemente, poiché le densità di potenza nei sistemi sono diventate più elevate, parti della linea di luce da 10,6 μm come i divisori di luce e le lenti potrebbero essere realizzate in diamante. L'applicazione si basa su quattro proprietà chiave:

Naturalmente è da tenere presente che in alcuni utilizzi la natura policristallina dell'elemento ottico ne limiterebbe l'impiego; tuttavia, la struttura cubica del diamante consente di ridurre al minimo l'impatto di molteplici orientamenti cristallini nella pellicola sulle prestazioni. Tuttavia a lunghezze d'onda più corte ci sono alcune applicazioni in cui la birifrangenza e la dispersione tipiche del diamante policristallino limiterebbero l'efficacia e sono necessarie soluzioni monocristalline.

Dall'invenzione del laser a disco sottile negli anni '90, è diventato uno strumento privilegiato per aumentare la densità di potenza da un dato materiale di guadagno. Dai laser di taglio ad alta potenza dei sistemi basati su YAG, alle potenze più elevate a lunghezze d'onda più difficili da raggiungere da materiali di guadagno semiconduttori in una configurazione VECSEL (laser a emissione superficiale con cavità esterna verticale), il diamante consente eccellenti qualità del raggio ad alta potenza grazie al flusso di calore assiale attraverso una breve dimensione in un dissipatore di calore.

A causa dell'elevata conduttività termica, il diamante policristallino è stato a lungo utilizzato come diffusore di calore all'esterno della cavità in questi sistemi; tuttavia, con l'aumento delle densità di potenza, anche il raffreddamento del diamante sulla parte posteriore del materiale di guadagno e della pila di specchi non è sufficiente e la qualità del raggio diminuisce. Storicamente la birifrangenza e la dispersione del diamante policristallino ne hanno limitato l'uso nella cavità dei laser a lunghezza d'onda corta (tipicamente operanti intorno a 1 µm).