CVD Diamond Windows

Beamtek CVD 钻石光学窗口制程介绍

一、研发背景与技术演进

自 2016 年起，Beamtek 即专注於 CVD 钻石光学窗口的研发，具备完整的自主制造流程，涵盖从原材料取得到最终成品制作的全工序。

• 透过多年技术积累与制程优化，Beamtek 成功从早期仅能制作 5mm 小口径单晶钻石窗，发展至稳定量产：

  • 15mm 单晶钻石窗

  • 35mm 多晶钻石窗

• 我们持续朝更大尺寸与更高精度的产品开发迈进。

二、完整的自主加工制程

CVD 钻石於成长完成后，需经过一系列高精度加工工序，才能符合高性能光学元件的需求。由於钻石硬度极高，稍有不慎即可能产生裂缝、崩角或热损伤，因此每一步骤皆须严格控制与搭配专业设备。

1. 初步切割分割

• 使用雷射或电火花线切割（Wire EDM）技术，将 CVD 钻石晶体原片切割成指定尺寸。

• 重点在於控制切割热源，避免热应力导致材料破裂。

2. 多阶段研磨与整形

• 采用钻石工具进行厚度控制与边缘整形。

• 根据应用需求，成品可制成：

  • 圆形光学窗

  • 方形光学窗

3. 奈米级精密抛光

• 为提升透光率与光学表面品质，需进行高阶抛光处理。

• 使用钻石抛光浆料与抛光垫，将表面粗糙度控制至：

  • Ra ≤ 10 奈米（甚至更低）

4. 高温超真空焊接封装

• 将抛光后的钻石窗口与金属基座（如铜、不锈钢）进行真空扩散式焊接。

• 使用高温超高真空环境，确保：

  • 良好的气密性

  • 稳定的机械结合性

• 以满足高真空光学应用的严苛需求。

三、总结

• CVD钻石是一种以化学气相沉积法（CVD）生产的合成钻石材料。它具有优异的导热性、硬度、耐化学性和宽频光学透明度，是高性能光学窗口的理想选择，尤其适用於严苛的环境。
• CVD钻石窗口片具有卓越的物理和光学特性，适用於各种严苛的环境。它们具有优异的硬度和耐磨性，耐刮擦和冲击。它们还在从紫外线到远红外线的宽光谱范围内具有优异的透明度和低吸收率。凭藉极高的导热性，它们能够高效散热，是高功率雷射系统的理想选择。此外，CVD钻石还具有很强的耐化学腐蚀和辐射性能，热膨胀系数低，尺寸稳定性高。这些特性使其广泛应用於雷射、红外线光学、航空航太、国防、半导体和医疗技术等领域，是高性能光学窗口片的理想选择。
• 用於光学应用的窗口片经过抛光处理，表面极为光滑。标准表面粗糙度通常小於 10 nm RMS。
• Beamtek 提供客制化的单晶和多晶 CVD 钻石窗口。

CVD 钻石光学视窗

CVD 钻石是利用化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）技术所制造的合成钻石，具备极高的热导率、硬度、化学稳定性以及广光谱的光学透过性，特别适合用於要求严苛的高性能光学视窗。

CVD 钻石视窗主要分为两种形式：

单晶 CVD 钻石光学视窗

✅ 定义：

透过同质外延（homoepitaxial growth）在天然或人造钻石种晶上生长，形成连续且无缺陷的晶体结构。

主要特性：

• 极高的光学透明度，涵盖红外线（IR）、可见光，甚至紫外线（UV）波段。
• 无晶界，减少光散射与吸收。
• 极高的热导率（高达 2000 W/m·K）。
• 超高硬度，化学稳定性佳。
• 雷射损伤阈值高，适用於高功率雷射。

常见规格：

• 厚度：约 0.3–1.5 毫米
• 透光率：2–5 微米波段 >70%；依波长与镀膜不同而异
• 表面粗糙度：<5 奈米 RMS（抛光）

应用领域：

• 高功率 CO₂ 与固态雷射出光视窗
• 航太与国防光学窗
• 高压／高温环境观察窗
• 化学腐蚀环境下的光谱分析窗

多晶（聚晶）CVD 钻石光学视窗

✅ 定义：

在非钻石基板上生长而成，形成由众多微小钻石晶粒组成的多晶结构。

主要特性：

• 宽频红外线透光能力佳（特别在中红外至远红外范围：约 2–20 微米以上）。
• 可见光区透光率较差，因晶界导致光散射。
• 良好的机械强度与耐热冲击性。
• 成本相对较低、容易放大量产。
• 表面可能略有雾面或颗粒感。

常见规格：

• 厚度：可达 1–3 毫米甚至更厚
• 透光率：在 8–12 微米波段约 55–65%（未镀膜），镀 AR 薄膜后可提升
• 表面粗糙度：10–30 奈米 RMS（标准抛光）

应用领域：

• 工业与军用红外视窗
• 严苛环境下的保护视窗（如感测器、制程监控）
• 雷射光传输系统（功率低於单晶应用）
• 真空与高温观察窗