金刚石热沉片助力多场景拉曼激光：从高功率设备至特种光源应用革新

拉曼激光器具备光谱调谐区间宽、光束成像质量优等突出特性，是天文探测、激光加工、医用影像检测等行业不可或缺的核心光学设备。设备高功率稳态运行阶段，有源区域热流密度可突破 1000 W/cm²，直接引发器件整体热阻上升、输出光功率衰减、设备使用周期缩短等问题；常规氮化铝（AlN）热沉导热系数仅 230W/(K・m)，已无法适配高热负荷工况需求。金刚石热沉基材具备最高超 1800W/(K・m) 的超高导热系数、优异热稳定性能与化学惰性特质，是破解上述散热短板的核心功能材料，该材料落地应用有效助推拉曼激光器向高功率输出、整机小型化、长服役周期方向实现技术跨越。

（一）高功率连续型拉曼激光器热管控性能升级

针对大功率连续出光工况，金刚石热沉极低界面热阻的材料优势得以充分释放。相关试验以 CVD 金刚石作为过渡导热基底，封装 976nm 半导体激光芯片，依托倒装烧结工艺搭配铟基焊料匹配热膨胀系数（砷化镓芯片热膨胀系数为 4.5×10⁻⁶/K）；器件整体热阻由氮化铝热沉配套方案的 2.91℃/W 下降至 1.74℃/W，输入电流稳定在 25A 时芯片结温仅 53.94℃，平均输出光功率可达 24.0W，相较传统散热方案性能提升幅度超 30%。依托该项散热优化方案，工业切割、激光熔覆等场景下拉曼激光器连续作业时长由数百小时延长至数千小时。

（二）钠导星激光设备输出功率技术突破

金刚石热沉基材与拉曼增益晶体协同配套，有效破除钠导星激光器输出功率受限的技术壁垒。依托金刚石拉曼介质无光谱烧孔的固有特性搭建 V 型谐振腔光路，选取 1018nm 掺镱光纤激光器作为泵浦源，经腔内倍频工艺输出 589nm 钠导星激光束。得益于金刚石最高 2000W/(K・m) 的导热能力，该光路系统在 75W 泵浦功率条件下腔内峰值功率可达 3200W，拉曼激射阈值仅 16.8W，能够为大口径天文望远镜供给高亮度导星光源，现已成为天文观测装备的核心配套技术。

（三）多波长特种拉曼激光设备应用场景拓展

金刚石热沉具备全光谱适配能力，为多波段拉曼激光器研发落地提供支撑。在 532nm 脉冲泵浦光路体系中，借助金刚石高效导热能力实现 620nm、676nm、743nm 级联拉曼激光输出，光电转换峰值效率达 36.38%，最小输出脉冲宽度仅 2.45ns，可满足生物医学成像、精密光谱检测等精细化应用需求。除此之外，在涡旋特种光源研发领域，结合离轴泵浦光路与金刚石热沉散热体系，于 1.2μm、1.5μm 波段分别实现 65.5W 高斯基模、42.2W LG 涡旋模式稳定输出；完善的热管控体系保障光束模式长期稳定，为量子通信、微观粒子操控领域提供全新光源载体。

金刚石热沉的稳定运行依托标准化精密封装工艺：采用真空蒸镀铟制备缓冲导热层，精准调控蒸发距离、通电电流等工艺参数以削弱热膨胀失配产生的内部应力；初次烧结在甲酸还原氛围下完成芯片倒装贴合，二次烧结选用铟锡合金焊料实现梯度温度适配，最终通过金丝键合工艺保障电路导通可靠性。整套工艺可最大限度降低金刚石基材与光学芯片间界面热阻，整机散热综合效率提升 4 倍以上。

需结合设备工况差异化选用金刚石基材品类：高功率连续激光器优先选用多晶 CVD 金刚石，其各向同性导热特性适配复杂谐振腔结构；脉冲式激光设备可搭配单晶金刚石，辅以微通道冷却结构承载超高热流密度。金刚石覆铜（Diamond-on-Cu）散热方案能够将射频模块温升控制在 15℃以内，为集成式拉曼激光整机开发提供成熟技术参考。

金刚石热沉片现已成为天文观测、工业加工、生物医疗等领域提升拉曼激光器综合性能的关键核心材料。后续行业研发重点将聚焦界面热阻进一步优化、原材料制造成本压降两大方向，推动该项散热技术由高端科研设备配套转向全产业链规模化量产，持续赋能激光产业整体技术迭代升级。

作为金刚石半导体产业龙头厂商，化合积电是一家专注于宽禁带半导体材料研发、生产和销售的国家高新技术企业，核心产品有多晶金刚石(晶圆级金刚石、金刚石热沉片、金刚石窗口片、金刚石基复合衬底)、单晶金刚石(热学级、光学级、电子级、硼掺杂、氮掺杂)和金刚石铜复合材料等，引领金刚石及新一代材料革新，赋能高端工业化应用，公司产品广泛应用于激光器、GPU/CPU、医疗器械、5G基站、大功率LED、新能源汽车、新能源光伏、航空航天和国防军工等领域。