金剛石因其獨特的碳原子四面體排列結構而具有卓越的力學、電學、熱學、聲學、化學和光學性能。在光學性能方面，金剛石的寬光譜透過范圍和獨特的非線性光學特性使其備受關注。然而，天然金剛石的開采成本高、尺寸受限且雜質含量不可控，限制了其應用空間。因此，自20世紀以來，合成金剛石晶體的研究成為重點，旨在開發出更純凈、性能更優、尺寸更大的金剛石。光學級金剛石在生長過程中，位錯密度與雜質含量是其應用拓展的主要制約因素。低位錯、低雜質的晶體結構可顯著降低殘余應力與光吸收效應，因此精確調控晶體缺陷與雜質濃度是優化金剛石光學性能的關鍵所在。

       光學級金剛石具有極寬的光譜透過率，除了在2.6-6.2 μm的區間具有少部分的紅外晶格吸收損耗之外，在227 nm（5.47 eV）以上的寬譜范圍內均保持優異透射特性。此外，金剛石作為已知最大拉曼頻移（1332.3 cm?1）的晶體材料，在室溫下拉曼增益線寬約為1.5 cm?1，當泵浦光偏振方向和金剛石晶體<111>方向平行時，可實現最大拉曼增益系數的線偏振拉曼光。金剛石還擁有高布里淵增益系數和大布里淵頻移，展現出作為布里淵增益介質的獨特優勢。表1總結了金剛石優異的光學性質。

表1 金剛石優異的光學性質

       具有低雙折射水平和低吸收系數的光學級金剛石晶體有著更為出色的光學性能。圖1為兩個具有不同雙折射水平的化學氣相沉積（CVD）金剛石樣品雙折射顯微照片。雙折射水平和吸收系數主要受位錯密度和雜質含量影響。近年來，減少位錯的方法主要集中在如何增強位錯反應（增加外延膜厚度，離軸襯底生長）和去除位錯（外延橫向生長，圖案成核生長）。而雜質含量主要受氣體純度、腔室潔凈度和漏率控制。在保持高純度的氣源和沉積環境條件下，優化生長參數可有效降低雜質含量。

圖1 兩個具有不同雙折射水平的金剛石樣品雙折射顯微照片

       經過高溫高壓法和CVD制備的金剛石晶體表面粗糙度高，難以直接應用于各種領域，因此需要通過拋光來改善其表面狀態。此外，在光學應用中，對金剛石表面進行鍍增透膜、構建減反射微納結構的加工工藝可以有效減少因菲涅爾反射產生的損耗，從而增強金剛石光學器件工作在不同波段的透過性。因此，光學級金剛石的實際應用往往取決于這些加工技術的完善和成熟度。圖2展示了金剛石從生長、加工到最終應用的整個流程。

圖2 金剛石從生長、加工到最終應用的整個流程

       在本篇綜述論文中，作者全面梳理了光學級金剛石的特性，介紹和比較了金剛石晶體不同合成方法，并著重探討了位錯密度和雜質含量對于其光學性能的影響。文章還介紹了金剛石加工工藝，通過拋光、鍍膜、微結構加工和色心制備，金剛石晶體將邁向更加成熟的應用，滿足極端條件下不同光學應用需求。隨著合成技術的不斷進步，未來有望實現更大尺寸、更高純度的金剛石晶體的制備，這不僅將推動材料科學的進一步發展，還將極大地拓展光學級金剛石在激光技術、量子光學等領域的應用范圍，為光學技術的創新和突破開辟新的道路。

       相關成果以“Optical-grade diamond: characteristics, synthesis, and recent research progress”為題，發表在Functional Diamond期刊上。