光学品质的金刚石材料制造技术

一种ＣＶＤ单晶金刚石材料，当在室温（通常２０℃）测量时，所述材料表现出至少一种以下特征：　ｉ）高的光学均匀性，在光透射过规定厚度为至少０．５ｍｍ、被加工为合适平面度的金刚石时，在至少１．３ｍｍ×１．３ｍｍ的规定面积内测量，该金刚石的 透射波阵面与预测几何波阵面的差少于２条条纹，其中１条条纹对应于与６３３ｎｍ测量波长的１／２相等的光程长度差；ｉｉ）指示低应变的低的光学双折射，以至于在至少０．５ｍｍ的规定厚度的样品中，在至少１．３ｍｍ×１．３ｍｍ规定面积内以本文描述 的方式测量时，对于样品分析区域的至少９８％，相移正弦的绝对值｜ｓｉｎδ｜保持在第一级次（δ不超过π／２）中，并且｜ｓｉｎδ｜不超过０．９；ｉｉｉ）指示低应变的低的光学双折射，以至于在至少０．５ｍｍ的规定厚度的样品中，在至少１．３ｍｍ ×１．３ｍｍ规定面积内以本文描述的方式测量时，对于分析区域的１００％，所述样品保持在第一级次（δ不超过π／２）内，并且Δｎ↓［［平均］］的最大值，即对于平行于慢轴和快轴偏振化的光的折光指数之间的差值在样品厚度上平均的平均值不超过１．５×１０↑［－４］；ｉｖ）有效折光指数，在规定厚度为至少０．５ｍｍ的样品中，在至少１．３ｍｍ×１．３ｍｍ的规定面积内以本文描述的方式测量时，所述有效折光指数的数值为＋／－０．００２精度内的２．３９６４；　ｖ）光学性能的组合，以至于当 将金刚石材料制备成规定厚度至少为０．５ｍｍ的标准器形式的金刚石板，并用波长接近１．５５μｍ、标称直径为１．２ｍｍ的激光束在至少１．３ｍｍ×１．３ｍｍ的规定面积内测量时，其显示在板内不同位置测量时变化小于５×１０↑［－３］ｃｍ↑［－１］的自由光谱区（ＦＳＲ）；ｖｉ）光学性能的组合，以至于当将金刚石材料制备成规定厚度至少为０．５ｍｍ的Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ固体标准器形式的金刚石板，并用波长接近１．５５μｍ、标称直径为１．２ｍｍ的激光束在至少１．３ｍｍ×１．３ｍｍ的规定面积 内测量，以及没有将涂层涂覆到所述光学制备的表面时，其显示在板内不同位置测量时超过１．５的反差比；ｖｉｉ）光学性能的组合，以至于当将金刚石材料制备成规定厚度至少为０．５ｍｍ的标准器形式的金刚石板，并用波长接近１．５５μｍ、直径为１．２ ｍｍ的激光束在至少１．３ｍｍ×１．３ｍｍ的规定面积内测量时，其显示不超过３ｄＢ的介入损耗；ｖｉｉｉ）在关心体积内的折光指数的变化，所述体积包含规定厚度为至少０．５ｍｍ的层状物，在至少１．３ｍｍ×１．３ｍｍ的规定面积内以本文描述的方式 测量，该变化小于０．００２。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光学品质的金刚石材料专利技术背景本专利技术涉及化学气相沉积(CVD)的金刚石材料，涉及其生产以及由该材料得到的光学设备和元件。有一系列的光学设备，由于其独特的要求而对用于它们的材料有较高要求。实例包括激光窗口，其中高强度光束需要无阻碍地穿过被要求提供某种形式的隔离的窗口，以及其它设备，例如光学反射器、衍射光栅和标准器。取决于具体的应用，可影响适宜材料的选择或制造的主要性能包括低且均匀的双折射、均匀且高的折光指数、作为应变函数的低的诱导双折射或折光指数的变化、低且均匀的光吸收、低且均匀的光散射、高的光学(激光)损害阈值、高的热传导性(使光学元件内的温度变化最小化)、可被加工以表现出高的表面抛光以及高的平行度与平面度的能力，机械强度、耐磨性、化学惰性和材料参数的可重复性，以使其在所述应用中可信赖。很多材料满足这些要求的一项或多项，但大多数应用要求多于一种的要求，所以通常所选择的材料是一种折衷，限制了最终的性能。专利技术概述根据本专利技术，当在室温(通常20℃)测量时，一种CVD单晶金刚石材料表现出至少一种，优选至少二种，更优选至少三种，更更优选至少四种的以下特征：1)高的光学均匀性，在光透射过规定厚度为至少0.5mm，优选至少0.8mm和更优选至少1.2mm、并被加工为合适平面度的金刚石期间，在至少1.3mm×1.3mm，优选至少2.5mm×2.5mm，更优选至少4.0mm×4.0mm的规定面积内测量，该金刚石的透射波阵面(例如由ZYGO GPI相-->移633nm Fizeau型激光干涉仪所测量)与预测几何波阵面的差少于2条条纹，优选少于1条条纹，更优选少于0.5条条纹，更更优选少于0.2条条纹，其中1条条纹对应于与633nm测量波长的1/2相等的光程长度差。2)有效折光指数，在至少0.5mm，优选至少0.8mm和更优选至少1.2mm的规定厚度的样品中，和在至少1.3mm×1.3mm，优选至少2.5mm×2.5mm，更优选至少4mm×4mm的规定面积内，当以接近1.55μm的波长、通过在197-192THz的频率范围内扫描入射到标准器形式的样品上的激光束的频率，记录作为频率函数的样品标准器的透光率，并运用自由光谱区的公式(以后所定义的方程式1)来测量时，有效折光指数的数值为在+/-0.002，优选+/-0.001，更优选+/-0.0005精度内的2.3964。本领域的技术人员将认识到，2.3964的数值是基于碳同位素按照其天然丰度比构成的金刚石的，而此2.3964的数值将随金刚石的同位素组成的变化而变化。3)指示低应变的低的光学双折射，以至于在至少0.5mm，优选至少0.8mm和更优选至少1.2mm的规定厚度的样品中，在至少1.3mm×1.3mm，优选至少2.5mm×2.5mm，更优选至少4mm×4mm的规定面积内测量时，由Deltascan或具有相似分辨率的类似仪器使用545-615nm范围内，优选589.6nm的辐射所测量的相移的正弦的绝对值|sinδ|不超过一定的极限。具体而言，这些极限是，对于样品分析区域的至少98％，优选至少99％，更优选100％，相移正弦的绝对值|sinδ|保持在第一级次(first order)(δ不超过π/2)中，并且|sinδ|不超过0.9，优选不超过0.6，更优选不超过0.4，更优选不超过0.3，和更优选不超过0.2。4)光学性能的组合，以至于当用波长接近1.55μm、标称直径为1.2mm的激光束在至少1.3mm×1.3mm，优选至少2.5mm×2.5mm，更优选至少4mm×4mm的规定面积内测量时，合适制备的标准器形式的、具有至少0.5mm，优选至少0.8mm和更优选至少1.2mm规定厚度的金刚石板表现出的自由光谱区(FSR)，在板内不同位置测量时变化小于5×-->10-3m-1，优选小于2×10-3cm-1，更优选小于5×10-4cm-1，更更优选小于2×10-4cm-1。5)光学性能的组合，以至于当用波长接近1.55μm、标称直径为1.2mm的激光束在至少1.3mm×1.3mm，优选至少2.5mm×2.5mm，更优选至少4mm×4mm的规定面积内(没有用涂层涂覆到该光学制备的表面)测量时，合适制备的Fabry-Perot固体标准器形式的、具有至少0.5mm，优选至少0.8mm和更优选至少1.2mm规定厚度的金刚石板在板内的不同位置测量时表现的反差比超过1.5，优选超过1.6，更优选超过1.7，更更优选超过1.8，最优选超过1.9。所述反差比定义为在入射激光波长接近1.55μm时具有最大透光率数值的标准器透光率的值，与在入射激光波长接近1.55μm时具有最小透光率数值的标准器透光率值之比，而所述透光率数值定义为透射过标准器的激光束的光功率与入射到标准器上的激光功率之比。6)光学性能的组合，以至于合适制备的标准器形式的、具有至少0.5mm，优选至少0.8mm和更优选至少1.2mm规定厚度的金刚石板，当用波长接近1.55μm、直径为1.2mm的激光束在至少1.3mm×1.3mm，优选至少2.5mm×2.5mm，更优选至少4mm×4mm的规定面积内测量时，表现出不超过3dB，优选不超过1dB，更优选不超过0.5dB，更更优选不超过0.3dB的插入损耗。7)低且均匀的光吸收，以至于至少0.5mm，优选至少0.8mm和更优选至少1.2mm规定厚度的样品，在接近20℃下测量时，在10.6μm波长下具有小于0.04cm-1，优选小于0.03cm-1，更优选小于0.027cm-1，更更优选小于0.025cm-1的光吸收系数。8)低且均匀的光吸收，以至于至少0.5mm，优选至少0.8mm和更优选至少1.2mm规定厚度的样品，在1.06μm波长下具有小于0.09cm-1，优选小于0.05cm-1，更优选小于0.02cm-1，更更优选小于0.01cm-1的光吸收系数。9)低且均匀的光散射，以至于对于至少0.5mm，优选至少0.8mm和更优选至少1.2mm规定厚度的样品，在至少1.3mm×1.3mm，优选至少-->2.5mm×2.5mm，更优选至少4mm×4mm的规定面积内测量时，在0.63μm波长下，整合了透射光束0.3°至45°立体角的前向散射小于0.2％，优选小于0.1％，更优选小于0.05％，更更优选小于0.03％。10)低且均匀的光散射，以至于对于至少0.5mm，优选至少0.8mm和更优选至少1.2mm规定厚度的样品，在至少1.3mm×1.3mm，优选至少2.5mm×2.5mm，更优选至少4mm×4mm的规定面积内测量时，在10.6μm波长下，整合了透射光束1.1°至45°立体角的前向散射小于0.004％，优选小于0.002％，更优选小于0.001％，更更优选0.0005％。11)高的激光损害阈值，以至于在10.6μm的波长下，在使用主脉冲尖峰为50-100ns，并归一化至100μml/e光斑尺寸的高斯光束轮廓时，造成损害的最低入射峰能量密度和不造成损害的最高入射峰能量密度的平均值大于120Jcm-2，优选大于220Jcm-2，更优选大于320Jcm-2，更更优选大于420Jcm-2。12)高的激光损害阈值，以至于在1.06μm的波长下，在使用主脉冲尖峰为10-5本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种CVD单晶金刚石材料，当在室温(通常20℃)测量时，所述材料表现出至少一种以下特征：i)高的光学均匀性，在光透射过规定厚度为至少0.5mm、被加工为合适平面度的金刚石时，在至少1.3mm×1.3mm的规定面积内测量，该金刚石的透射波阵面与预测几何波阵面的差少于2条条纹，其中1条条纹对应于与633nm测量波长的1/2相等的光程长度差；ii)指示低应变的低的光学双折射，以至于在至少0.5mm的规定厚度的样品中，在至少1.3mm×1.3mm规定面积内以本文描述的方式测量时，对于样品分析区域的至少98％，相移正弦的绝对值|sinδ|保持在第一级次(δ不超过π/2)中，并且|sinδ|不超过0.9；iii)指示低应变的低的光学双折射，以至于在至少0.5mm的规定厚度的样品中，在至少1.3mm×1.3mm规定面积内以本文描述的方式测量时，对于分析区域的100％，所述样品保持在第一级次(δ不超过π/2)内，并且Δn[平均]的最大值，即对于平行于慢轴和快轴偏振化的光的折光指数之间的差值在样品厚度上平均的平均值不超过1.5×10-4；iv)有效折光指数，在规定厚度为至少0.5mm的样品中，在至少1.3mm×1.3mm的规定面积内以本文描述的方式测量时，所述有效折光指数的数值为+/-0.002精度内的2.3964；v)光学性能的组合，以至于当将金刚石材料制备成规定厚度至少为0.5mm的标准器形式的金刚石板，并用波长接近1.55μm、标称直径为1.2mm的激光束在至少1.3mm×1.3mm的规定面积内测量时，其显示在板内不同位置测量时变化小于5×10-3cm-1的自由光谱区(FSR)；vi)光学性能的组合，以至于当将金刚石材料制备成规定厚度至少为0.5mm的Fabry-Perot固体标准器形式的金刚石板，并用波长接近1.55μm、标称直径为1.2mm的激光束在至少1.3mm×1.3mm的规定面积内测量，以及没有将涂层涂覆到所述光学制备的表面时，其显示在板内不同位置测量时超过1.5的反差比；vii)光学性能的组合，以至于当将金刚石材料制备成规定厚度至少为0.5mm的标准器形式的金刚石板，并用波长接近1.55μm、直径为1.2mm的激光束在至少1.3mm×1.3mm的规定面积内测量时，其显示不超过3dB的介入损耗；viii)在关心体积内的折光指数的变化，所述体积包含规定厚度为至少0.5mm的层状物，在至少1.3mm×1.3mm的规定面积内以本文描述的方式测量，该变化小于0.002。2.权利要求1的CVD单晶金刚石材料，其中所述透射波阵面与预测几何波阵面的差小于0.5条条纹。3.权利要求2的CVD单晶金刚石材料，其中所述透射波阵面与预测几何波阵面的差小于0.2条条纹。4.前述权利要求中任何一项的CVD单晶金刚石材料，其中对于至少98％的分析区域，相移正弦的绝对值|sinδ|保持在第一级次内，并且不超过0.4。5.前述权利要求中任何一项的CVD单晶金刚石材料，其中对于100％的分析区域，相移正弦的绝对值|sinδ|保持在第一级次内，并且其中Δn[平均]不超过5×10-5。6.前述权利要求中任何一项的CVD单晶金刚石材料，该材料的有效折光指数的数值为+/-0.001精度内的2.3964。7.权利要求6的CVD单晶金刚石材料，该材料的有效折光指数的数值为+/-0.0005精度内的2.39695。8.前述权利要求中任何一项的CVD单晶金刚石材料，其显示出在所述材料内的不同位置测量时变化小于2×10-3cm-1的自由光谱区(FSR)。9.权利要求8的CVD单晶金刚石材料，其中所述自由光谱区的变化小于5×10-4cm-1。10.前述权利要求中任何一项的CVD单晶金刚石材料，其在由规定厚度和规定面积所限定的体积内，以这里所描述的方法测量的折光指数的变化小于0.001。11.权利要求10的CVD单晶金刚石材料，其中折光指数的变化小于0.0005。12.前述权利要求中任何一项的CVD单晶金刚石材料，当该材料被制备成Fabry-Perot固体标准器形式的金刚石板，并在指定厚度和面积的板内不同位置测量时，其表现出超过1.7的反差比。13.权利要求12的CVD单晶金刚石材料，其中所述的反差比超过1.8。14.前述权利要求中任何一项的CVD单晶金刚石材料，当该材料被制备成Fabry-Perot固体标准器形式的金刚石板，并用波长接近1.55μm、直径为1.2mm的激光束在指定厚度和面积的板内的不同位置测量时，其表现出不超过1dB的介入损耗。15.权利要求14的CVD单晶金刚石材料，其中所述的介入损耗不超过0.5dB。16.一种CVD单晶金刚石材料，当在室温(通常20℃)测量时，所述材料表现出至少一种以下特征：i)低且均匀的光散射，以至于对于至少0.4mm规定厚度的样品，当在至少1.3mm×1.3mm的规定面积内以这里所描述的方法测量时，在1.064μm波长下、整合了透射光束3.5°至87.5°立体角的前向散射小于0.4％；ii)低且均匀的光吸收，以至于至少0.5mm规定厚度的样品在1.06μm波长下具有小于0.09cm-1的光吸收系数；iii)低且均匀的光吸收，以至于至少0.5mm规定厚度的样品在10.6μm波长下具有小于0.04cm-1的光吸收系数。17.权利要求16的CVD单晶金刚石材料，其中在指定厚度和面积的样品中测量时，在1.064μm波长下、整合了透射光束3.5°至87.5°立体角的前向散射小于0.2％。18.权利要求17的CVD单晶金刚石材料，该材料在1.064μm下表现出小于0.1％的前向散射。19.权利要求16至18中任何一项的CVD单晶金刚石材料，其中所述的光吸收系数在1.06μm时为小于0.05cm-1。20.权利要求19的CVD单晶金刚石材料，其中所述的光吸收系数在1.06μm时为小于0.02cm-1。21.权利要求16至20中任何一项的CVD单晶金刚石材料，其中所述的光吸收系数在10.6μm时为小于0.03cm-1。22.权利要求21的CVD单晶金刚石材料，其中所述的光吸收系数在10.6μm时为小于0.027cm-1。23.一种CVD单晶金刚石材料，当在室温(通常20℃)测量时，所述材料表现出至少一种以下特征：i)可被加工以表现出高表面抛光的能力，在至少1.3mm×1.3mm的规定面积内测量的Ra(与经过轮廓的均线的绝对...

【专利技术属性】
技术研发人员：H·P·戈弗里德，G·A·斯卡司布鲁克，D·J·特威切恩，E·P·豪曼，W·G·M·内里森，A·J·怀特黑德，C·E·霍尔，P·M·马蒂诺，
申请(专利权)人：六号元素有限公司，
类型：发明
国别省市：