金剛石遇上激光：不同激光類型加工效果（guǒ）大揭秘

  金剛石加（jiā）工困難，而激光加工（gōng）技術為其提供了解決方案，將激（jī）光加工技術應（yīng）用於金剛（gāng）石（shí）加（jiā）工，可實現金剛（gāng）石的高（gāo）效、高精度加工，今天一起來看看（kàn）不同激光束類型作用於金剛石表麵達到的加工效果存在哪些巨大差異。

微秒激光：脈寬（kuān）較寬，適用於粗加工

  特點與（yǔ）應用：微秒激光脈寬較寬，通（tōng）常適（shì）用於粗加（jiā）工。例（lì）如，筆者課題組使用波（bō）長為 1064nm 的 Nd:YAG 型微秒（miǎo）精密激光切割機（jī）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（sǔn）傷，長脈（mò）寬的微秒激光峰值功率在（zài）幾千瓦且脈衝持（chí）續（xù）時間長，導致存在較深的熱影響區（qū）。如在加工金剛石時，熱影響區可達 6.8μm。

 脈寬450μs激光得到PCD複合材料的FIB截麵圖  圖源：論文

  納秒激光（guāng）：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（guāng）具有穩定性（xìng）好、成本低、加工時間短等優點，在企業生（shēng）產（chǎn）中廣泛應（yīng）用，目前占據了較大（dà）的（de）市場份額。

  熱影（yǐng）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（guān）上表現為加（jiā）工產生較（jiào）大的熱影響區。

  南京航空航天大學建立了（le）三維移動納秒脈衝高（gāo）斯激（jī）光燒蝕單晶金剛石的有限元模擬模型，得到不同掃描（miáo）時間下單晶金剛石內的熱傳導及溫度（dù）分布；

   不同掃描時間單晶金剛（gāng）石內的熱傳導和溫度分布（bù），箭頭表示導熱熱流方向  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（bāo）括開裂、波紋、變形槽道（dào）以及碎屑沉積，並解釋了各種缺陷的產生（shēng）原因。

  皮秒激光：脈衝持續時間減（jiǎn）小，熱影響區損傷降低

  加工特性與優勢：皮秒激光加工既（jì）不（bú）同於納秒激光的熱平衡燒蝕，也不完全等於飛秒激光的冷（lěng）加工，脈（mò）衝（chōng）持續時（shí）間（jiān）的顯著減小極大程（chéng）度地降低了熱影響區帶來的損（sǔn）傷。

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

  Nozomi Takayama 等利用皮秒脈衝激（jī）光加工具（jù）有特殊結構的單晶金剛（gāng）石刀（dāo）具，可快速加工出無任何邊緣開裂（liè）的（de）刀具。

  作用機製（zhì）與現象：與納秒激光類似，皮秒激光與（yǔ）金剛石相互作用時也是通過表（biǎo）麵石墨化進行，並（bìng）且隨著皮秒激光能量密度的增加，石墨峰出現明顯（xiǎn）的紅移。

  Sergei M. Pimenov 等利用皮秒激光作用於金剛石內部，觀察到金剛石內部產生石墨化現象（xiàng），並基於此製備了石墨化的微結構陣列，還研究了晶體取（qǔ）向（xiàng）對皮秒激光燒蝕過程的影響，同時發現了 3H 色（sè）心、NV 色心的產生，且 NV 色心的熒光由（yóu）於激光體修（xiū）飾過程有增強的現象（xiàng）。

 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（gōng）精度高，但效率較低

  高精度加工特點：飛秒激光加工精度高，能（néng）在極短的（de）脈衝持續時間內，*大程度地避免熱影響區形（xíng）成，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（zhuàng）的精細加（jiā）工。例如，飛秒脈衝激光能在較（jiào）低的平均功率下產生極高的功（gōng）率密度，使金剛石（shí）晶格中的C-C共價鍵發生解離。

  效率與成本問題：但其加工效率較低，且飛（fēi）秒（miǎo）激光器自身昂（áng）貴的造價及維護成本（běn）限製了（le）加（jiā）工（gōng）方法的推廣，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（jiē）段。與納秒（miǎo）激光相比，飛秒激光加工的表麵質（zhì）量更高，但總體的材料去除速率較低。如韓源等計算得出飛秒激光燒（shāo）蝕速率（lǜ）比微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（jiū）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（háng）業發展。