金剛石遇上激光：不同激光類型加工效果大揭秘

  金剛石加工（gōng）困難，而激光（guāng）加工技術為其提供了解（jiě）決方案，將激（jī）光加工技術（shù）應用於金剛石加工，可實現金剛石（shí）的高效、高精度加工，今天一起來看（kàn）看不同激光束類型作用於（yú）金剛石表麵達到的加工效（xiào）果存（cún）在（zài）哪些巨大差異。

微秒激光：脈（mò）寬較寬，適用於（yú）粗加工

  特點與應用：微秒激光脈（mò）寬較寬，通常（cháng）適（shì）用於（yú）粗加工。例如，筆者課題組使（shǐ）用波長為 1064nm 的 Nd:YAG 型微秒精密激光切割機完成了金剛石（shí）熱沉結構的加工。

  加工效果與影響：其加工時伴隨強烈熱損傷，長脈寬的微秒激光峰值（zhí）功率在幾千瓦且（qiě）脈衝持續時（shí）間長，導致（zhì）存在較深的熱影響區。如在加工金剛石時，熱影響區可達 6.8μm。

 脈寬450μs激光得（dé）到PCD複合（hé）材料的FIB截麵圖  圖源：論文

  納秒激光：占據較（jiào）大市場份額，加（jiā）工有熱破壞性

  優勢與（yǔ）市場情況：納秒激光具有穩定性好、成本低、加工時間短等優點，在企業生產中廣泛應用，目（mù）前占據了較大的市場份額。

  熱（rè）影響與相關研究：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（chǎn）生較大的熱影響區。

  南京航空航天大學建立了三維移動納（nà）秒（miǎo）脈（mò）衝高斯激光燒蝕單晶金剛石的（de）有限元模擬模型，得到不同掃描時間下單晶金（jīn）剛石內的熱傳導（dǎo）及（jí）溫度分布；

   不同掃描時（shí）間單（dān）晶金剛石內的熱傳導和溫度分布，箭頭表（biǎo）示導熱熱流方向  圖源：論（lùn）文（wén）

  日本慶應義塾大學將納秒激光加工金剛石產（chǎn）生的（de）缺陷分成四類，包括開裂、波紋、變形槽道以及碎屑沉積，並解（jiě）釋了各種缺陷的產生原因。

  皮秒激光（guāng）：脈（mò）衝持續時間減小，熱（rè）影響區（qū）損傷降低

  加工特性與（yǔ）優勢：皮秒激光加工既（jì）不（bú）同於納秒激光的（de）熱平衡燒蝕，也不完（wán）全等於飛秒激（jī）光的冷加工，脈衝持續時（shí）間的顯著（zhe）減小極大程度地降低了熱（rè）影響（xiǎng）區帶來的損傷。

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

  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刀具（jù），可快速（sù）加工（gōng）出無任何邊緣開裂的刀具。

  作用機製與（yǔ）現（xiàn）象：與（yǔ）納秒激（jī）光（guāng）類似，皮秒激光與金剛（gāng）石相互作用時也是通過表麵石墨化進（jìn）行，並且隨著皮秒激光能量密度的增加，石墨峰出（chū）現明顯的紅移。

  Sergei M. Pimenov 等利用皮秒激光作用於金剛石內部，觀察到（dào）金剛石內部產生石墨化現象，並基於此製備了石墨（mò）化的微結構陣列，還研究了晶體（tǐ）取向對（duì）皮秒激光燒（shāo）蝕過程的影響，同時發現了 3H 色心（xīn）、NV 色心的產生，且 NV 色（sè）心（xīn）的熒光由於激（jī）光體（tǐ）修飾過程有增強的現象。

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

  飛秒激光：加工精度高，但效率較低

  高精度加工特點：飛秒激光加工精度高（gāo），能在極短（duǎn）的脈衝持（chí）續時間內，*大程度地避免熱影響區形成（chéng），以*小的熱損傷精（jīng）準加工金剛石表麵結構，更適合（hé）於（yú）金剛石特殊形狀的精細加工（gōng）。例如，飛秒（miǎo）脈衝激光能在較低的平均（jun1）功率下產生（shēng）極高的功率密度（dù），使金剛石晶格中的C-C共價鍵發生解離。

  效率與成本問題：但其加工效率較（jiào）低，且飛秒激光（guāng）器自身昂貴的造價及維護（hù）成（chéng）本限製了加工方法的推廣，目前關於飛秒激光加工金（jīn）剛石的研究大多停留在實驗室（shì）階段。與納秒激光相比，飛秒激光加（jiā）工（gōng）的表麵質量更高，但總體的（de）材料去除速率較低。如（rú）韓源等計算得（dé）出飛秒激光燒蝕速率比微秒激光燒蝕速（sù）率低兩個（gè）數量級。

  *後

  不同類型的激光（guāng）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（gāng）石加工領域發揮更大作用，推動相關行業發展。