金剛石憑借其超高熱導(dǎo)率、寬譜透光性以及卓越的物理化學(xué)穩(wěn)定性，成為極端環(huán)境下光電器件的理想選擇。同時(shí)，金剛石還具備出色的拉曼特性，如具有已知晶體中最大的拉曼頻移（1332 cm-1）和極高的拉曼增益系數(shù)（~10 cm/GW），使其成為擴(kuò)展激光波長、提升激光輸出功率的理想增益介質(zhì)。然而，大尺寸、高品質(zhì)金剛石晶體的制備技術(shù)長期被國外壟斷，嚴(yán)重制約了我國高性能激光光源的發(fā)展。

近日，鄭州大學(xué)金剛石材料與器件團(tuán)隊(duì)在金剛石激光晶體制備及拉曼激光技術(shù)方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果以Q-switched sub-nanosecond high-peak-power eye-safe intracavity cascaded diamond Raman laser為題，發(fā)表在Optics & Laser Technology期刊上。

研究團(tuán)隊(duì)攻克了大尺寸、低應(yīng)力金剛石單晶制備以及低粗糙度、高平行度金剛石晶體加工等關(guān)鍵技術(shù)，研制出光學(xué)性能優(yōu)異的金剛石拉曼激光晶體。基于自主制備的金剛石激光晶體，團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)出具有<1 ns脈沖寬度、MW級(jí)峰值功率和kHz高重頻的人眼安全波段金剛石拉曼激光器。這一成果標(biāo)志著團(tuán)隊(duì)在高質(zhì)量金剛石激光晶體材料及拉曼激光技術(shù)方面取得了重要進(jìn)展。

圖1 團(tuán)隊(duì)自主生長的大尺寸金剛石拉曼晶體

團(tuán)隊(duì)通過構(gòu)建V型折疊腔和短拉曼腔結(jié)構(gòu)，利用拉曼誘導(dǎo)腔倒空效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了激光能量的快速釋放，最終獲得脈沖寬度僅為0.6 ns、峰值功率高達(dá)913.3 kW的1.45 µm人眼安全波段金剛石拉曼激光器，刷新了國際上同類型器件性能紀(jì)錄。此外，該激光器還展現(xiàn)出高的重復(fù)頻率（1-10 kHz）與良好的光束質(zhì)量（M² < 1.5），可滿足衛(wèi)星測(cè)距等遠(yuǎn)距離、高精度探測(cè)場(chǎng)景的應(yīng)用需求。

圖2 金剛石拉曼激光器實(shí)驗(yàn)裝置（左）及輸出特性（右）

大尺寸高質(zhì)量金剛石激光晶體的國產(chǎn)化將大幅降低拉曼激光器件的制造成本，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入強(qiáng)勁動(dòng)力。未來，團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)優(yōu)化金剛石晶體生長工藝，提升拉曼激光器件輸出性能，推動(dòng)我國拉曼晶體生長和激光技術(shù)的不斷進(jìn)步。

相關(guān)資料：Q-switched sub-nanosecond high-peak-power eye-safe intracavity diamond cascaded Raman laser, Optics and Laser Technology, 2025, 187, 112843.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0030399225004347?dgcid=author

?鄭州大學(xué)金剛石材料與器件研究組成立于2015年3月，依托鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院、材料物理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和河南省金剛石光電材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，研究組面積約1200 m2，設(shè)備總值約3700余萬元。主要依托河南省在金剛石超硬材料方面的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，開展金剛石等功能材料與器件研究，以拓展金剛石基材料除了硬度之外的其它應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備涵蓋了金剛石薄膜生長、單晶合成、材料表征、器件制備，以及功能應(yīng)用等方面。