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Aug 08, 2023

Diamant et Lasers : Une combinaison puissante

Alors que les marchés de la photonique entraînent le développement de puissances toujours plus élevées pour une gamme de systèmes laser, les matériaux laser traditionnels sont de plus en plus confrontés à des densités de puissance optique élevées.

Alors que les marchés de la photonique entraînent le développement de puissances toujours plus élevées pour une gamme de systèmes laser, les matériaux laser traditionnels sont de plus en plus confrontés à des densités de puissance optique élevées et à de grandes quantités de chaleur perdue. Des solutions nouvelles sont nécessaires.

Le diamant est connu depuis longtemps pour ses propriétés exceptionnelles dans de nombreux domaines, depuis une faible absorption à un certain nombre de longueurs d'onde clés, la conductivité thermique la plus élevée de tous les matériaux en vrac, jusqu'à d'excellentes propriétés mécaniques. Cependant, à partir de sources historiques, il était difficile d'obtenir une source de haute qualité. matériaux de grandes dimensions fiables. Le diamant synthétique haute pression et haute température (HPHT) est disponible depuis plus de cinquante ans, mais ses propriétés et ses tailles disponibles ont limité son adoption dans des applications en dehors des applications mécaniques.

La pureté du procédé a permis une gamme d'applications au fil des années grâce à sa haute qualité et sa disponibilité en grands formats...

Une méthode alternative de fabrication de diamants polycristallins et monocristallins qui répond à certaines des limitations est le dépôt chimique en phase vapeur (CVD), qui est de plus en plus viable commercialement au cours des 15 dernières années. Dans ce procédé, les gaz contenant des espèces carbonées dans un transporteur d'hydrogène en vrac sont chauffés par micro-ondes à des températures supérieures à 2 000 K. Grâce à un contrôle minutieux des paramètres du système et de la qualité de la matière première, cette méthode a permis d'obtenir un diamant d'une pureté exceptionnellement élevée, avec, par exemple, les niveaux de défaut d'azote de fond dans le diamant monocristallin mesurés sont inférieurs à 5 parties par milliard et les diamètres du matériau polycristallin jusqu'à 140 mm. La pureté du procédé a permis une gamme d'applications au fil des années en raison de sa haute qualité et de sa disponibilité en grandes tailles, notamment des fenêtres optiques haute puissance, des fenêtres pour la spectroscopie infrarouge à large bande, des dissipateurs de chaleur pour l'industrie des semi-conducteurs, des électrodes conductrices dopées au bore et fenêtres gyrotroniques pour le développement de l'énergie de fusion.

Le diamant a une large bande interdite de 5,45 eV, ce qui signifie que la coupure des longueurs d'onde courtes pour le diamant est d'environ 230 nm, tandis que le matériau est largement transparent jusque dans la région des micro-ondes en raison de la symétrie de la liaison. Les applications optiques couvrent donc une large gamme de longueurs d'onde, permettant à différents systèmes laser d'exploiter la conductivité thermique élevée du diamant de diverses manières.

L'application optique la plus mature du diamant CVD de haute pureté concerne les coupleurs de sortie des lasers CO2, ces pièces étant vendues depuis plus de 15 ans. Plus récemment, à mesure que les densités de puissance dans les systèmes sont devenues plus élevées, certaines parties de la ligne de lumière de 10,6 µm, telles que les séparateurs de faisceau et les lentilles, pourraient être fabriquées à partir de diamant. L'application s'appuie sur quatre propriétés clés :

Bien entendu, il convient de noter que dans certaines utilisations, la nature polycristalline de l'élément optique limiterait son utilisation ; cependant, la structure cubique du diamant permet de minimiser l'impact des multiples orientations cristallines du film sur les performances. Cependant, à des longueurs d'onde plus courtes, il existe certaines applications où la biréfringence et la diffusion typiques du diamant polycristallin limiteraient l'efficacité, et des solutions monocristallines sont nécessaires.

Depuis l’invention du laser à disque mince dans les années 1990, il est devenu un outil privilégié pour augmenter la densité de puissance à partir d’un matériau à gain donné. Des lasers de découpe haute puissance issus de systèmes basés sur YAG aux puissances plus élevées à des longueurs d'onde plus difficiles à atteindre provenant de matériaux à gain semi-conducteur dans une configuration de laser à émission de surface à cavité externe verticale (VECSEL), le diamant permet d'excellentes qualités de faisceau à haute puissance en raison du flux thermique axial. à travers une courte dimension dans un dissipateur thermique.

En raison de sa conductivité thermique élevée, le diamant polycristallin a longtemps été utilisé comme dissipateur de chaleur à l'extérieur de la cavité dans ces systèmes ; cependant, à mesure que les densités de puissance augmentent, même le refroidissement du diamant à l'arrière du matériau de gain et de l'empilement de miroirs n'est pas suffisant et la qualité du faisceau diminue. Historiquement, la biréfringence et la diffusion du diamant polycristallin ont limité son utilisation dans la cavité des lasers à courte longueur d'onde (fonctionnant généralement autour de 1 µm).