6.2.1 CVD金刚石的光学性能
在第二章中曾经给出CVD金刚石的透射曲线以及吸收系数随温度的变化。所给出的结果是在高质量光学级CVD金刚石样品上测量的。由于目前CVD金刚石的制备工艺仍不成熟，还不能提供商业产品，而CVD金刚石的光学、力学和热学性质与制备工艺是密切相关的。这里对目前CVD金刚石所达到的最好结果做一简要的介绍。
在3μm～5μm波段CVD金刚石和天然的Ⅱa型金刚石一样，有较大的吸收。已经确认为主要是2声子，3声子本征吸收。图6-3表示了2.5μm～20μm波段CVD金刚石的吸收系数和波长的关系［9］。可以看出，在1500 cm－1～2500cm－1（4～6.6μm）主要是2声子吸收。在2500 cm－1～4000cm－1（2.5μm～4μm）主要是3声子吸收。理论和实验结果基本相符合。在2158cm－1拉曼谱观察到2声子跃迁的极大值，吸收系数为14.0cm－1。在3μm处有较弱的3声子吸收。这些与理论的预计相符合，在8μm～12μm吸收系数值有些散乱。在图6-4表示了6.2μm～20μm长波的CVD金刚石和Ⅱa型金刚石消光系数和波长关系［11］。消光系数中包
括了吸收和散射，长波消光系数的理论曲线可由下式表示［12］：
??146?56?max(???max) ，?max?1143cm?1 （6-1）
在式（6-1）中常数146是理论曲线适配对Ⅱa型金刚石，在944cm－1（10.6μm）和1079cm－1（9.26μm）两个波长用激光量热法测量的吸收系数而得到的。可以看出，长波的吸收量受2－声子红翼（Two－phonon red wing）影响（图6-3），Ⅱa型金刚石长波吸收系数与理论预计较为一致，但两个CVD金刚石则和理论预计有较大差别。
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图6-3 2.5μm～20μm，CVD金刚石吸收系数
与波长的关系
＋－用激光量热器法测得的数据； O－来自文献［10］；――多声子模型理论曲。线
图6-4 6.2μm～20μmCVD金刚石的吸收系数与波长的关系
在红外光学材料的使用中，人们更关心的是CVD金刚石在8～12μm的光学性能。因为在8μm～12μm波段CVD金刚石是能够工作在严酷环境中的比较理想的窗口和整流罩材料，提高长波光学性能是材料科学工作者的努力目标。当然，长波性能的改进也伴着短波（可见光波段）透过率的改进。
现在一般认为，在CVD金刚石中有两种特征缺陷：一种称为微观结构特征（microfeature）缺陷；一种是微应力。前一种认为是细小的夹在金刚石晶体结构中的非金刚石碳夹杂，它对金刚石的光学性质能起到支配作用［8，13］。图6-5表示了CVD金刚石在1.03μm和10.6μm吸收系数之间的关系［8］。吸收系数是用激光量热器法测量的，它表明，在短波的吸收系数比长波的要大。吸收系数的变化就表明微观结构特征对吸收系数的影响，它不仅会影响吸收，也会产生散射。
图6-5 CVD金刚石在1.03μm和10.6μm吸收系数之间的关系
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图6-6表示了在1.03μm和10.6μm散射系数和吸收系数之间的关系［8］。吸收系数是由激光量热器法测量的，散射系数是由透过率的损失扣除吸收而估算的。可以看出，散射系数和吸收系数是线性关系。在1.03μm，散射更加显著。
图6-6 在1.03μm和10.6μm散射系数和吸收系数之间的关系
［14］图6-7表示了早期的CVD金刚石在0.633μm双向散射分布函数（BSDF），
图上也给出了钠钙玻璃（D曲线）的结果。可以看出，在可见光区CVD金刚石的散射是严重的，散射角大约在10o以内。最近，工艺水平的改进，微观结构更加趋于均匀，可见光的散射水平有明显降低，如图6-8所示［15］。为了比较，在图6-8上也表示了Ⅱa型金刚石和CVDZnSe的散射强度。可以看出，好的CVD金刚石（2＃）的散射水平与Ⅱa型金刚石和CVDZnSe相当。在红外波段的散射还能低一个数量［14］。
图6-7 早期的CVD金刚石在0.633μm双向散射分布函数（BSDF）
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图6-8 CVD金刚石在0.633μm的散射强度
在图6-9中表示了三个波段（8μm，10μm和12μm）CVD金刚石吸收系数与温度的关系［8］。这种温度关系可以近似用一个经验公式表示，即
?(t)??0?AeCT （6-2）
式中：?0为室温吸收系数；T为绝对温度；A、C为经验常数，A＝0.01783，
C＝0.00456。
图6-9 在三个波长，CVD金刚石吸收系数与温度的关系
很长时间以来，高质量光学级的CVD金刚石大都是厚度≤0.5mm。当CVD金刚石的厚度增加，光学质量变差。但是CVD金刚石要能实际用于窗口，其厚度必
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须≥1mm，对于整流罩使用厚度≥0.7mm。近年来，厚的CVD金刚石的研制取得很大进展。图6-10表示1.5mm厚的CVD金刚石的吸收系数［16］。 在这个图上同时给出了0.5mm厚Ⅱa型金刚石和0.745mm厚CVD金刚石的吸收系数，它们非常接近。
图6-10 1.5mm厚CVD金刚石的吸收系数
天然Ⅱa型金刚石的吸收系数是0.024cm－1～0.047cm－1［17］，1.4mm厚的CVD金刚石的吸收系数是0.05cm－1［3］，已经非常相近。图6-11表示了1.5mm厚CVD金刚石双向散射分布函数，表明散射虽然未达到零，但已经很小。
图6-11 1.5mm厚CVD金刚石双向散射分布函数
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