金剛石遇上激光：不同激（jī）光類型加工效果大揭秘

  金剛石加工困難，而激光加工技（jì）術為其提供了解決方案，將激光（guāng）加工技（jì）術應用於金剛石加工，可實現金（jīn）剛石的高效（xiào）、高精度加工，今天一（yī）起來（lái）看看不同激光束類型作（zuò）用於金剛（gāng）石表麵達到的加工效果存在哪些巨（jù）大差異。

微秒激光：脈寬較寬，適用於粗（cū）加工

  特點與應用：微秒激光脈寬較寬（kuān），通常適（shì）用於粗（cū）加工（gōng）。例如，筆者課題組使用波長為 1064nm 的 Nd:YAG 型微秒精密激（jī）光切割機完成了金剛石熱沉結構的加（jiā）工。

  加（jiā）工效果與影響：其加工時伴隨強烈熱損傷，長脈寬的微秒激光峰值功率在幾（jǐ）千瓦且脈衝持續時間長，導致存在較深的熱影響（xiǎng）區。如在加工金剛石時，熱（rè）影響區可達 6.8μm。

 脈寬450μs激光得到PCD複合材料的（de）FIB截（jié）麵圖  圖源：論文

  納秒激光：占據較大市場份額，加工有（yǒu）熱破壞性

  優勢與市場情況：納秒激光具有穩定性好、成本低、加工時（shí）間短（duǎn）等優點，在企業生（shēng）產中（zhōng）廣泛應用，目前占據了較大的市場份額。

  熱影響與相關研究：但（dàn）納秒激光燒蝕過（guò）程對樣品具有熱破壞性，宏觀上表現為加工產生較大的熱（rè）影響區。

  南京（jīng）航空航天大學建立了三維移動納秒脈衝高斯激光燒蝕單晶金（jīn）剛石的有限元模擬模型，得到不同掃描時間下單晶金剛石內的熱傳（chuán）導及溫度分布；

   不同掃描時間單晶金剛石內的熱（rè）傳導和溫度分布，箭（jiàn）頭表示導熱熱流方向  圖（tú）源：論文

  日本慶應義塾大學將納秒（miǎo）激光加工（gōng）金剛石產生的缺陷分成四類，包括開裂、波紋、變形槽道以及（jí）碎屑沉積，並解釋（shì）了各種缺陷的產生原因。

  皮秒激光：脈衝持續時間減小，熱影響區損傷降低

  加工特性與優勢：皮（pí）秒激光加工既不同於納秒激光的熱（rè）平衡燒蝕，也不完全等於飛秒激光的冷加工，脈衝持續時間的顯著（zhe）減小極大程度地降低了熱影響區帶來的損傷。

  溫邱玲等人使（shǐ）用紅外皮秒激光加工 CVD 單晶金（jīn）剛石微槽，僅在微槽邊緣存在（zài）不規則微小（xiǎo）崩邊和微裂紋；

  Nozomi Takayama 等利用皮秒脈衝激光加工具有特殊結構的單晶金剛石（shí）刀具，可快速加工出無任何邊緣開裂的刀具。

  作用機製與現象（xiàng）：與納秒激光類似，皮秒（miǎo）激光與金剛石相互作用時也是通過表麵石墨化進行，並且隨著皮秒激光能量密度的（de）增加，石（shí）墨峰出現明顯的紅移（yí）。

  Sergei M. Pimenov 等利用（yòng）皮秒（miǎo）激光作（zuò）用於金剛石內（nèi）部，觀察到金剛石內部（bù）產生石墨化現象，並基於（yú）此製備了石墨化的微結構陣列，還（hái）研究了晶（jīng）體取向對皮秒激光燒蝕（shí）過程的影響，同時發現了 3H 色心、NV 色心的產生，且 NV 色心（xīn）的（de）熒光由於激光體修飾（shì）過程有增強的現象。

 不同激光能量下皮秒激光燒蝕金剛石微槽中心（xīn）位置處的拉曼光譜  圖源：論文

  飛秒激光：加工精度（dù）高，但效率較低

  高精度加工特點（diǎn）：飛秒激光加工精度高，能在極短的脈衝持續時間內，*大程度地（dì）避免熱影（yǐng）響（xiǎng）區形成，以*小的熱損傷精準加工金（jīn）剛石表麵結構，更適合於金剛石特殊形狀（zhuàng）的精細加工。例如（rú），飛秒脈（mò）衝激光能在較低的平（píng）均（jun1）功率（lǜ）下產生（shēng）極高的（de）功率密度，使金剛石晶格中的（de）C-C共（gòng）價鍵發生解離（lí）。

  效率（lǜ）與成本問題：但（dàn）其加工效率較低，且飛秒（miǎo）激光器自身昂貴的造價及維（wéi）護（hù）成本限製了加工方法（fǎ）的推廣，目前關於飛秒激光加工金剛石的研究大多停留在實（shí）驗室階段（duàn）。與納秒激光相比，飛秒激（jī）光加工的（de）表麵質量更高，但總體的材料去除速率較（jiào）低。如韓源等計算得出飛秒激光燒（shāo）蝕速率比微（wēi）秒激光燒（shāo）蝕速（sù）率低兩個數量級。

  *後

  不同類型（xíng）的激光在金剛石加工中各有優劣，研（yán）究人員正不斷探索，力求讓激光技術在金剛石加工領域發揮更大作用，推動相（xiàng）關行（háng）業發展。