金剛石遇上激光：不（bú）同激（jī）光類型（xíng）加工效果（guǒ）大揭秘

  金剛石加工困難，而激光加（jiā）工技術為其提（tí）供了解決方案，將激光加工（gōng）技術應用於金剛石加工，可實現金剛石的高效、高精度加工，今天一起（qǐ）來看看不同激光束類型作用於金剛石表（biǎo）麵達到的加工效果存在哪些巨大差異。

微秒激（jī）光：脈寬較寬（kuān），適用於粗加工

  特點與（yǔ）應用：微秒激光脈寬較寬，通常適用於粗（cū）加工。例如，筆（bǐ）者課題組使用（yòng）波長為 1064nm 的 Nd:YAG 型微秒精密激光切割機完成了金剛石熱沉結構的加工。

  加工效果與影響：其加（jiā）工時伴隨強烈熱損傷，長脈寬的微秒激光峰值功率在幾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，熱影響區可達（dá） 6.8μm。

 脈寬450μs激光得到PCD複合材料的FIB截麵圖  圖源（yuán）：論文

  納秒激光：占據較大市（shì）場（chǎng）份額，加工有熱破壞性（xìng）

  優勢與市場情況：納秒激光具（jù）有（yǒu）穩定（dìng）性好、成本低、加工時間短等優點，在企業生產中廣泛（fàn）應用，目前（qián）占據了（le）較大的市場份（fèn）額。

  熱影響（xiǎng）與相關（guān）研究：但納秒激光燒蝕過程對樣品具有熱破壞性，宏觀上表現為加工產生較大的熱影響區。

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

   不同掃描時（shí）間單晶（jīng）金剛石內的熱傳導和溫度分（fèn）布，箭頭表示導熱熱流方（fāng）向（xiàng）  圖源：論文

  日本慶應義塾大學將納秒激光加工金（jīn）剛石產生的缺陷分成四類，包括（kuò）開裂、波紋、變（biàn）形槽道以及碎屑沉積，並解釋了各種缺（quē）陷的（de）產生原因。

  皮秒激光：脈衝持續時間（jiān）減小，熱影（yǐng）響區損傷降低

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

  溫邱玲等人使用紅外皮秒激光加工 CVD 單晶金剛石微（wēi）槽，僅在微槽邊緣存在不規（guī）則微小（xiǎo）崩邊和微裂紋；

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

  作用機製與現象：與納秒激光類似，皮秒激光與金（jīn）剛石（shí）相互作用時也是（shì）通過表（biǎo）麵石墨化進行，並且隨著皮（pí）秒激光（guāng）能量密（mì）度的（de）增加，石墨峰出現明顯的紅移。

  Sergei M. Pimenov 等利用皮秒激光（guāng）作用於金剛（gāng）石內部，觀察到金剛石內部產生（shēng）石墨化現象，並基於此製備了石墨化的微（wēi）結構陣列，還研究了晶體取向對皮秒激光燒蝕過程的影響，同時（shí）發現了 3H 色（sè）心、NV 色心的產生，且（qiě） NV 色心的熒光（guāng）由於激光體修（xiū）飾（shì）過程有增強的現象。

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

  飛秒激光：加工精度高，但效率較低

  高精度加工（gōng）特點：飛秒激光（guāng）加工精度高，能（néng）在極短的脈衝持續時間內（nèi），*大程度地避（bì）免熱影響區形成（chéng），以*小的熱損傷精準加工金剛石表麵結構，更適合於金剛石特殊形狀的精細加工。例如，飛秒脈衝（chōng）激光能在較低的平均功率下產生（shēng）極高的功率（lǜ）密度，使金剛石晶格中的（de）C-C共價鍵發生（shēng）解離。

  效率與（yǔ）成本問（wèn）題：但其加工效率較低，且飛秒激光器自身昂貴的造（zào）價（jià）及維護成本限製了加工方法的推廣（guǎng），目前關於飛秒激光加工金剛石的研究大（dà）多停留在實驗室階段。與納秒激光相比，飛秒激光加工的表麵（miàn）質量更高，但總體的材料去除速率較低。如韓源（yuán）等計算得（dé）出飛秒激（jī）光燒蝕速率比微（wēi）秒激光燒蝕速率低兩個數量級。

  *後

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