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基于元素六合成金刚石新型固态激光器设计开辟新应用

2008-10-25 09:46
Hsiao Chen
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    英格兰阿斯科特2008年10月14日电,斯特莱斯克莱德大学(University of Strathclyde) Institute of Photonics(光子学研究所)的研究人员已经启动了一个为期3年半的项目,目的是开发一种新型固态激光器设计。该设计将采用Element Six Ltd制造的CVD(化学气相沉积)金刚石。元素六(Element Six)在CVD金刚石合成及其应用领域处于世界领先水平。 


    金刚石拉曼(Raman)激光器的开发可开辟众多新的应用领域,如水下成像、医学成像、眼科学、癌症治疗以及多光谱成像。该项目将由斯特莱斯克莱德大学Institute of Photonics的Alan Kemp博士负责领导,获得了由英国政府资助的英国工程与自然科学研究理事会(Engineering and Physical Sciences Research Council,EPSRC)提供的600,000多英镑基金。 

 
    将金刚石用作固态激光材料为设计小而紧凑的固态激光器带来了新的机遇,这些激光器将具备更强的功率承载能力,并在当前无法获得的波长下运行,因而会开辟新的应用领域。金刚石拥有独特的光学和热学综合特性,因此非常适合于这些应用,通过Element Six生产的最新单晶CVD材料可以利用这些特性。例如,拉曼激光器已经利用硅等材料被开发出来,而且正被用于电信领域,而利用金刚石则可以将其性能提升至新的功率水平和更多的波长。 


    拉曼激光器的工作原理 


    拉曼激光器利用的是一种于1922年发现的称为“拉曼散射”(Raman Scattering)的现象。当光子撞击一种物质时,其中一小部分光子会使物质的原子发生振动,从而产生相互作用。在这种“非弹性”碰撞中,光子会增加或损失一定量的能量,其结果则是产生不同波长的光。拉曼激光器可通过振荡次级光并将能量注入系统内来放大次级光,从而发出连贯的激光束。 


    这种激光器的重要性在于它可改变波长。正如Kemp博士所说,这种改变波长的能力“有助于利用光谱中应用范围广但目前却光源匮乏的黄光至橙光区间”。如今,大多数商业激光器都在光谱的近红外区(0.8 - 1.1微米)工作,在1微米附近(1.03 - 1.07微米)尤为集中,大部分高性能激光器工作都是在这一区间完成的。Kemp博士表示:“或许现代固态激光工程中最大的挑战就在于发现产生新波长但同时尽量保持目前激光器便利性和性能的方法。” 


    合成金刚石的潜力 


    另外,由于热量问题,目前的几代连续波固态拉曼激光器被局限于区区数瓦的功率。金刚石具有很强的导热性和较低的热膨胀系数,因而拥有更大的功率承载能力。Kemp博士指出:“激光工程中最不受关注但却最普遍的问题是如何处理热能,尤其是当你希望在小封装中实现高性能的时候。在高功率拉曼激光器中这一问题尤为突出,因为能够成为很好的拉曼转换器的晶体通常导热性很差。于是金刚石便有了它的用武之地。金刚石的导热性比常用的拉曼旋光晶体高出两到三个数量级,它应该是一种出色的拉曼介质,使我们能够实现更高的输出功率。”

    此外,与目前使用的拉曼旋光晶体相比,金刚石改变波长的能力更强一些,这可能会增加它的应用潜力。Element Six技术经理Chris Wort补充说:“Institute of Physics的团队已经发现,与传统的拉曼介质相比,金刚石拥有更高的拉曼增益系数和更大的拉曼位移。” 


    Element Six所供应的金刚石的一个重要特征是它表现出超低的双折射。如果光的偏振改变,介质中的光速便会发生变化,这时就会发生双折射。在激光腔中要仔细控制这种现象需要才能让激光更好地工作。Kemp博士表示:“对于金刚石的所有光子学应用,尤其是对于激光应用而言,E6生产的超低双折射单晶CVD金刚石是向前迈出的坚实一步。它使得我们可以利用金刚石的卓越特性,而又不损害激光其它方面的性能。” 


    Element Six将在这个项目的整个过程中为研究团队提供高质量的单晶CVD金刚石。Institute of Photonics与Element Six有着良好的合作关系。例如,先前双方曾在政府支持的MIDDI项目中进行了合作。该项目实现了对单晶金刚石微光学元件实施精密蚀刻的能力。 


    (助编:xiaohu)

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