金剛石因其獨(dú)特的碳原子四面體排列結(jié)構(gòu)賦予其優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、熱導(dǎo)、聲學(xué)及化學(xué)穩(wěn)定性。在光學(xué)性能方面，金剛石的寬光譜透過范圍和獨(dú)特的非線性光學(xué)特性使其備受關(guān)注。然而，天然金剛石的開采成本高、尺寸受限且雜質(zhì)含量不可控，限制了其應(yīng)用空間，自20世紀(jì)中葉以來，科研界致力于開發(fā)大尺寸、高純度的光學(xué)級金剛石晶體，其核心挑戰(zhàn)在于精準(zhǔn)調(diào)控晶體缺陷密度與雜質(zhì)含量。

光學(xué)級金剛石展現(xiàn)出極寬光譜透過特性，盡管在2.6-6.2 μm波段存在微量紅外晶格吸收損耗，但在227 nm（對應(yīng)5.47 eV光子能量）以上的紫外至遠(yuǎn)紅外波段均保持卓越的高透射性能。該材料獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)賦予其1332.3 cm?1的已知最大拉曼頻移值，在室溫條件下可實現(xiàn)僅約1.5 cm?1的超窄拉曼增益線寬。特別值得注意的是，當(dāng)泵浦光偏振方向與金剛石晶體<111>晶軸平行時，能可實現(xiàn)最大拉曼增益系數(shù)的線偏振拉曼光。金剛石還擁有高布里淵增益系數(shù)和大布里淵頻移，展現(xiàn)出作為布里淵增益介質(zhì)的獨(dú)特優(yōu)勢。表1總結(jié)了金剛石優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)。

具有低雙折射水平和低吸收系數(shù)的光學(xué)級金剛石晶體有著更為出色的光學(xué)性能。圖1為兩個具有不同雙折射水平的化學(xué)氣相沉積（CVD）金剛石樣品雙折射顯微照片。雙折射水平和吸收系數(shù)主要受位錯密度和雜質(zhì)含量影響。近年來，減少位錯的方法主要集中在如何增強(qiáng)位錯反應(yīng)（增加外延膜厚度，離軸襯底生長）和去除位錯（外延橫向生長，圖案成核生長）。而雜質(zhì)含量主要受氣體純度、腔室潔凈度和漏率控制。在保持高純度的氣源和沉積環(huán)境條件下，優(yōu)化生長參數(shù)可有效降低雜質(zhì)含量。

高溫高壓法與化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)合成的金剛石晶體因表面粗糙度較高，直接限制了其在精密領(lǐng)域的工程化應(yīng)用，必須通過納米級精密拋光工藝實現(xiàn)表面形貌優(yōu)化。特別在光學(xué)器件領(lǐng)域，采用鍍制增透膜層與構(gòu)建亞波長量級減反射微納結(jié)構(gòu)的復(fù)合加工方案，可有效抑制界面菲涅爾反射效應(yīng)引發(fā)的光能損耗，顯著提升金剛石光學(xué)元件在全波段范圍內(nèi)的透射性能。這種表面功能化處理技術(shù)已成為拓展金剛石材料光學(xué)應(yīng)用邊界的關(guān)鍵制約因素，其工藝成熟度直接決定了光學(xué)級金剛石從實驗室制備到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的轉(zhuǎn)化效能。圖2展示了金剛石從生長、加工到最終應(yīng)用的整個流程。

在本篇綜述論文中，作者全面梳理了光學(xué)級金剛石的特性，介紹和比較了金剛石晶體不同合成方法，并著重探討了位錯密度和雜質(zhì)含量對于其光學(xué)性能的影響。文章還介紹了金剛石加工工藝，通過拋光、鍍膜、微結(jié)構(gòu)加工和色心制備，金剛石晶體將邁向更加成熟的應(yīng)用，滿足極端條件下不同光學(xué)應(yīng)用需求。隨著合成技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來有望實現(xiàn)更大尺寸、更高純度的金剛石晶體的制備，這不僅將推動材料科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，還將極大地拓展光學(xué)級金剛石在激光技術(shù)、量子光學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，為光學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新和突破開辟新的道路。

相關(guān)成果以"Optical-grade diamond: characteristics, synthesis, and recent research progress"為題發(fā)表于Functional Diamond期刊，為光學(xué)材料領(lǐng)域提供了重要技術(shù)參考。

關(guān)于碳方程