单晶金刚石（Single-Crystal Diamond, SCD）因其卓越的综合物理与光学性能，已成为高端光学窗口（Optical Window）领域的理想材料之一，尤其适用于极端环境下的高功率、宽光谱、高可靠性光学系统。
| 性能 | 参数/特点 | 对光学窗口的意义 |
|---|---|---|
| 透光波段极宽 | 从深紫外（~225 nm）到远红外（~1 mm），包括可见光、中红外、太赫兹波段 | 可用于多波段兼容系统，无需更换窗口 |
| 超高热导率 | 1800–2200 W/(m·K) | 抵抗高功率激光热透镜效应，防止热破裂 |
| 高硬度 & 耐磨性 | 莫氏硬度 10，最硬天然材料 | 抗划伤、耐沙尘侵蚀，适用于恶劣环境（如航天、军事） |
| 化学惰性 | 耐强酸、强碱、等离子体腐蚀 | 可在腐蚀性气氛或等离子体环境中长期使用 |
| 低热膨胀系数 | ~1 × 10⁻⁶ /K | 温度变化下形变小，保持光学面形稳定 |
| 高击穿阈值 | >10 GW/cm²（对纳秒激光） | 能承受高能激光辐照而不损伤 |
✅ 特别优势：同时满足“高透光 + 高导热 + 高强度”三大苛刻要求，这是传统光学材料（如ZnSe、Ge、蓝宝石、熔融石英）难以兼顾的。
CO₂ 激光器（10.6 μm）：
传统 ZnSe 窗口易因热积累而开裂。单晶金刚石窗口可高效导出热量，支持连续 kW 级输出。
光纤激光器 & 超快激光器：
在近红外（1–2 μm）和可见光波段，金刚石窗口可承受高峰值功率，避免非线性效应和损伤。
用于红外成像导引头（3–5 μm 和 8–12 μm 大气窗口）；
金刚石窗口兼具高红外透过率 + 抗雨蚀/沙蚀 + 耐高温气动加热，显著提升导弹在高速飞行中的探测性能。
同步辐射光源需在超高真空与大气之间设置窗口；
金刚石窗口可承受巨大压差（>1 atm），同时对 X 射线到红外光高度透明，且散热快，避免热变形导致光束偏移。
在托卡马克（如 ITER）中，需通过窗口观测高温等离子体；
金刚石耐中子辐照、抗溅射、化学稳定，是理想的诊断窗口材料。
金刚石在太赫兹波段损耗极低，且机械强度高，可用于户外 THz 系统防护窗口。
| 材料 | 透光范围 (μm) | 热导率 [W/(m·K)] | 硬度 (GPa) | 缺点 |
|---|---|---|---|---|
| 单晶金刚石 | 0.225 – 1000+ | 1800–2200 | 70–100 | 成本高，尺寸受限 |
| 蓝宝石 (Al₂O₃) | 0.15 – 5.5 | 30–40 | 20 | 中远红外不透明 |
| 锗 (Ge) | 2 – 14 | 60 | 8 | 不耐高温，需镀膜防氧化 |
| ZnSe | 0.5 – 20 | 18 | 2 | 软、易潮解、热导率低 |
| 熔融石英 | 0.18 – 2.2 | 1.4 | 8 | 红外不透明，热稳定性差 |
💡 结论：当系统要求“高功率 + 宽光谱 + 极端环境”时，单晶金刚石是唯一可行方案。
成本高：CVD 单晶金刚石生长缓慢（每天几微米），大尺寸（>10 mm）价格昂贵；
表面加工难度大：需纳米级抛光以实现高光学质量（表面粗糙度 <1 nm）；
抗反射涂层：因折射率高（n≈2.4），需镀制宽带 AR 膜提升透过率（如从 70% 提升至 >95%）；
异质集成：开发金刚石与金属/陶瓷的密封封装技术，用于真空或高压环境。
目前，Element Six（英国）、IIa Technologies（新加坡）、宁波材料所（中国） 等机构已实现毫米至厘米级光学级单晶金刚石窗口的量产。
单晶金刚石作为光学窗口，代表了极端光学工程的材料巅峰。它不仅“看得清”（宽光谱高透），还能“扛得住”（高功率、高磨损、高腐蚀），在国防、能源、科研、先进制造等领域扮演着不可替代的角色。随着制备技术进步和成本下降，其应用将从“特种需求”逐步走向“高端标配”。