金剛石遇上激光：不同激光類型加工效果大（dà）揭秘

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

微（wēi）秒激光：脈寬較寬，適用於粗加工

  特（tè）點與應用：微秒激光脈（mò）寬（kuān）較寬（kuān），通常適（shì）用於（yú）粗加工。例（lì）如（rú），筆者（zhě）課題組使用波長為 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（mò）寬的微秒激光峰值（zhí）功率在幾千瓦且脈衝持續（xù）時間長，導致存在較深的熱影響區。如在（zài）加工金剛石時，熱（rè）影響區可達 6.8μm。

 脈寬（kuān）450μs激光得到（dào）PCD複合材料的（de）FIB截麵圖（tú）  圖源：論文

  納秒激光：占據較大市場份額，加工有熱破壞性

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

  熱影響與相關研究：但納（nà）秒（miǎo）激光燒蝕過程對樣品（pǐn）具有熱破壞性，宏觀（guān）上表現（xiàn）為加工產生較大的熱影響區。

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

   不同掃描（miáo）時間單晶金剛石內的（de）熱（rè）傳導和溫度分布，箭頭表（biǎo）示（shì）導熱熱流方向  圖源：論文

  日本慶應（yīng）義塾大學將（jiāng）納秒激光（guāng）加工金剛石產（chǎn）生的缺陷（xiàn）分成四類，包括開裂、波（bō）紋、變形槽道（dào）以（yǐ）及碎屑沉積，並解（jiě）釋了各種缺陷的產生原（yuán）因。

  皮秒激光：脈衝持續時（shí）間減小，熱影響區損（sǔn）傷降低

  加工特性與優勢（shì）：皮秒激（jī）光（guāng）加工既不同於納秒激光的熱（rè）平衡燒蝕，也不完全等（děng）於飛（fēi）秒激光的（de）冷加工，脈衝持續時間的顯著減（jiǎn）小極大程度（dù）地降低了熱影（yǐng）響區帶來的損（sǔn）傷。

  溫邱玲等人使用紅外皮秒（miǎo）激光（guāng）加工 CVD 單晶金剛石微槽，僅在微槽邊緣（yuán）存在不（bú）規則（zé）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，可快速加工出無任何邊緣（yuán）開裂的刀具。

  作用機製與現象：與納秒激光類似，皮秒激光與金剛石相互作用時也是通過表麵石墨化進行，並且隨（suí）著皮秒激光能量密度（dù）的增（zēng）加，石墨峰出（chū）現明顯的紅移。

  Sergei M. Pimenov 等（děng）利用皮秒激光（guāng）作用於金剛石內部，觀察到金（jīn）剛石（shí）內部產生石墨化現象，並基於此製備了石墨化的微結構陣列（liè），還研（yán）究了晶體取向對皮秒激光燒蝕過（guò）程的影響，同時發現了 3H 色心、NV 色心的產生，且 NV 色心的熒光由（yóu）於激光體（tǐ）修飾過程有增強的現象。

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

  飛秒（miǎo）激光：加工精度高，但效率較低

  高精度加工（gōng）特點：飛秒激光加工精度高，能（néng）在（zài）極短的脈衝持續時間內，*大程度地避免熱影響區形成，以（yǐ）*小的熱損傷精準加（jiā）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（fēi）秒脈衝激（jī）光能在較低的平均功率下產生極高的功率（lǜ）密度，使金剛石晶格中的C-C共價（jià）鍵發（fā）生解離。

  效（xiào）率與成本問題：但其加工效率較低，且飛秒激光器自身昂貴的造價及維護成本限製了加工方（fāng）法的（de）推廣，目前關於飛秒激光加工金剛石的（de）研究大多（duō）停留在實驗室階（jiē）段（duàn）。與納秒激（jī）光相比，飛秒激光加工的表（biǎo）麵質量更高，但總體的材（cái）料去除速率較低。如（rú）韓源等（děng）計算得出飛秒激光燒蝕速率比微秒激光燒蝕速率低兩個數（shù）量級（jí）。

  *後

  不同類型（xíng）的激光在金剛石加工中各（gè）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。