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

       光學(xué)級金剛石具有極寬的光譜透過率，除了在2.6-6.2 μm的區(qū)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(nèi)均保持優(yōu)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(dāng)泵浦光偏振方向和金剛石晶體<111>方向平行時，可實現(xiàn)最大拉曼增益系數(shù)的線偏振拉曼光。金剛石還擁有高布里淵增益系數(shù)和大布里淵頻移，展現(xiàn)出作為布里淵增益介質(zhì)的獨特優(yōu)勢。表1總結(jié)了金剛石優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)。

表1 金剛石優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)

       具有低雙折射水平和低吸收系數(shù)的光學(xué)級金剛石晶體有著更為出色的光學(xué)性能。圖1為兩個具有不同雙折射水平的化學(xué)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(shù)主要受位錯密度和雜質(zhì)含量影響。近年來，減少位錯的方法主要集中在如何增強(qiáng)位錯反應(yīng)（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(zhì)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(huán)境條件下，優(yōu)化生長參數(shù)可有效降低雜質(zhì)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(jīng)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(yīng)用于各種領(lǐng)域，因此需要通過拋光來改善其表面狀態(tài)。此外，在光學(xué)應(yīng)用中，對金剛石表面進(jìn)行鍍增透膜、構(gòu)建減反射微納結(jié)構(gòu)的加工工藝可以有效減少因菲涅爾反射產(chǎn)生的損耗，從而增強(qiáng)金剛石光學(xué)器件工作在不同波段的透過性。因此，光學(xué)級金剛石的實際應(yīng)用往往取決于這些加工技術(shù)的完善和成熟度。圖2展示了金剛石從生長、加工到最終應(yīng)用的整個流程。

圖2 金剛石從生長、加工到最終應(yīng)用的整個流程

       在本篇綜述論文中，作者全面梳理了光學(xué)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(zhì)含量對于其光學(xué)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(jié)構(gòu)加工和色心制備，金剛石晶體將邁向更加成熟的應(yīng)用，滿足極端條件下不同光學(xué)應(yīng)用需求。隨著合成技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來有望實現(xiàn)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(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，還將極大地拓展光學(xué)級金剛石在激光技術(shù)、量子光學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，為光學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新和突破開辟新的道路。

       相關(guān)成果以“Optical-grade diamond: characteristics, synthesis, and recent research progress”為題，發(fā)表在Functional Diamond期刊上。