基于金刚石优异内在特性的光子学应用

  人造钻石生产的进步，使新的光子学技术成为了可能，但这些新技术在服务量子应用方面仍然存在许多挑战。

过去十余年中，受到一系列关键技术趋势和市场需求的推动，许多利用金刚石特殊物理特性的商用、新兴光子学技术迎来了重大进展。通过化学气相沉积（CVD）合成光学质量金刚石的创新，金刚石色心工程，以及用于制造金刚石光学元件和光子结构的技术，使这些进展成为可能。

 基于金刚石优异内在特性的光子学应用 

高纯度的金刚石，在紫外线到太赫兹乃至更高的频率范围内都会呈现出透明的状态。它具有任何块状材料中最高的室温热导率（＞铜的5倍），同时具有热光系数较低。这些特性使金刚石光学元件成为了高功率工业激光应用的理想选择，包括机械加工、焊接和增材制造，它适用于电磁频谱的许多不同部分。

此外，金刚石是地球上已知最硬的物质，它非常坚硬和坚固，因此也非常适合那些需要坚固的光学与红外组件的国防和安全应用，并且能够在极具挑战性的环境中发挥作用。 光学质量的CVD金刚石有单晶、多晶两种形式。多晶金刚石的优点是可用于直径达135毫米的大尺寸大面积器件。比如，它可以作为高功率10.6 μm CO2激光器的窗口，用于极紫外（EUV）光刻系统，用于最先进的半导体器件制造节点。 这项技术的动力是保持摩尔定律的步伐，它严重依赖于合成、加工严格的光学质量标准的金刚石窗，因为没有其他光学材料可以在所需的极端激光条件下工作。

对于工业激光器，大面积多晶CVD金刚石光学元件比它们通常取代的ZnSe光学元件更坚固可靠（图片来源：Element Six）

在波长短于约1.5 μm时，多晶CVD金刚石中的散射损耗，意味着在该范围内的大多数应用都是使用单晶金刚石来解决的。由于目前可用的金刚石衬底的尺寸限制，单晶金刚石元件的长度通常在5-10mm左右，尽管一些生产商正在开发非金刚石衬底上的大面积单晶金刚石，但由于其相对较高的内部应变，这种材料不能用于所有光学应用。 尽管存在尺寸限制，一些单晶CVD金刚石光子学技术已经被开发出来，比如基于Element Six独特的低光吸收、低双折射晶体的金刚石拉曼激光器。 这些非线性激光器利用受激拉曼散射现象，将泵浦光束转换为斯托克斯位移输出光束，从而扩大了可用激光源的范围，用于涵盖紫外到红外的新应用，包括：材料焊接、3D打印、定向能、激光雷达、遥感和激光导星（LGS）。

金刚石具有最高的拉曼增益系数之一，再加上其导热性优异，也就成为了展示功率缩放和亮度增强的理想增益介质，包括在1.4-1.8 μm的“人眼安全”光谱区域。而在此范围内，可用的激光源选择以往是受到限制的。

 通过色心工程化扩展钻石的应用范围 

虽然金刚石拥有一系列出色的固有光学特性，但它也存在数百种不同的光学活性缺陷（色心）。其中一些对于利用光的量子态和色心的电子自旋特性的技术应用具有重要意义，包括量子通信、量子计算和一系列传感应用。

特别值得一提的是氮空位（NV）色心——它是金刚石中的一种发光点缺陷，由于能够在室温下通过光和射频场的应用轻松地操纵其量子态，因此金刚石NV色心一直是被深入研究的主题。 根据最终应用工艺，人们可以通过两种方法创建NV色心。一是通过在CVD生长过程中控制氮的掺入，使氮原子以所需的浓度分布在整个材料中。另一方面，则需要对单个色心进行精确的空间控制，使用氮注入。然后通过高能电子辐照产生晶格空位，晶体在高温下退火以调动空位与晶体中的氮原子结合，从而形成NV色心。类似的方法可以用来形成其他定制的色心，如硅空位（SiV）或锗空位（GeV）中心。

对于量子信息处理，则需要色心阵列——既可以控制其量子特性，又可以通过光子腔有效地将单个中心耦合在一起。由于金刚石的化学惰性和缺乏广泛的市场可用性，人们仍需要投入大量精力和资金来开发这种结构所需的纳米制造技术；但近年来，研究人员们已经在这一领域取得了很大进展，包括以波导、柱、腔和盘的形式制造复杂的纳米结构，使用各种光刻技术，并采用等离子体和反应离子束进行蚀刻。

 实现金刚石量子光子学面临的未来挑战 

近年来，研究人员们在生产具有高内在光学质量和高质量色心的钻石方面取得了重大进展，并使许多新的和现有的先进光子学技术成为了可能。

但金刚石应用在量子光子学领域，在成功实现量子信息处理等应用的可扩展芯片之前，仍然存在一些挑战。其中包括：色心工程的改进和量子比特的鲁棒性；制作晶片；与其他光子材料和元件进行混合集成。尽管存在这些挑战，但当下面向这些领域的研究非常活跃，并且预期在未来几年将取得实质性进展。