金剛（gāng）石遇（yù）上激光：不同激光類型加（jiā）工效果大揭秘

  金剛石加（jiā）工困難，而激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（gāng）石的高效、高精度加工（gōng），今天（tiān）一（yī）起來看看不（bú）同激光束類型作用於金剛石表麵達（dá）到的加工效果存在哪些巨大差異。

微秒激光：脈寬較寬，適用於粗加工

  特點與應用：微秒（miǎo）激光脈寬較寬，通常（cháng）適用於粗加工（gōng）。例如（rú），筆者課題組使用波長為 1064nm 的 Nd:YAG 型微（wēi）秒精（jīng）密激光切割機完成了金剛石（shí）熱沉結構（gòu）的加工。

  加工效果與（yǔ）影響：其加工時伴隨強（qiáng）烈（liè）熱損傷，長脈寬的微秒激（jī）光峰值功率在幾千瓦且脈衝持續時間長，導致（zhì）存在較深（shēn）的熱影響區。如在加工金剛石時，熱影響區可達 6.8μm。

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

  納秒激光：占據較大（dà）市場份（fèn）額，加工有熱破（pò）壞（huài）性

  優勢與市場情況（kuàng）：納秒（miǎo）激（jī）光具有穩定性好、成本低、加工時間短等優（yōu）點，在企業生產中廣泛應用，目前占據了較大的市場份額。

  熱影響與相關研究：但納秒激光燒蝕（shí）過程對樣品具有熱破壞性，宏觀上（shàng）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秒脈衝高斯（sī）激光燒（shāo）蝕單晶金剛石的有限元模擬模型，得到（dào）不同掃描時間下單晶金剛石內（nèi）的熱傳（chuán）導及溫度分（fèn）布；

   不同掃描時間單（dān）晶金剛石內（nèi）的（de）熱傳導和溫度分布，箭頭表示（shì）導熱熱（rè）流方（fāng）向  圖源：論文（wén）

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

  皮秒激光：脈衝持續時間減小，熱影響區損（sǔn）傷降低（dī）

  加工（gōng）特性與優勢：皮秒激（jī）光加工既不同於納秒激光（guāng）的熱（rè）平衡（héng）燒蝕，也不完全等於飛（fēi）秒激光的冷加工（gōng），脈衝持續時間的顯著減（jiǎn）小極大程（chéng）度地降低了熱影響區帶來的（de）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（bú）規則微（wēi）小崩邊和微裂紋；

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

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

  Sergei M. Pimenov 等利用皮秒激光作用於（yú）金剛石內（nèi）部，觀察到（dào）金剛（gāng）石內部產生石墨化現（xiàn）象，並基於此製備了石墨化的微結構陣列，還研究了晶體取向對皮秒激光（guāng）燒（shāo）蝕過程的影響，同時發現了 3H 色心、NV 色心的（de）產生，且 NV 色心的熒光由於激光體修飾過程有增強的現象。

 不同激（jī）光能量下皮秒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（jīng）度高，能在（zài）極短的脈衝持續時間內（nèi），*大（dà）程度地避免熱影響區形成，以*小的熱損傷精準（zhǔn）加（jiā）工金剛石表麵結構，更適合於金剛石特殊形狀（zhuàng）的精細加工。例如，飛秒脈衝激光能在較低的（de）平均功率下產生極高的功率密度，使金剛（gāng）石晶格中的C-C共價鍵發生（shēng）解離。

  效率與成本問題：但其加工效率較低，且飛（fēi）秒激光器自身昂貴的造價及維護（hù）成本限製了加工方法的（de）推廣，目前關於飛秒（miǎo）激光加工金剛石的研究大多停留在（zài）實驗室階段。與納秒（miǎo）激（jī）光相比，飛秒激光加工（gōng）的表麵質量更高，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蝕速率比微秒激光燒（shāo）蝕速率低兩個數量級（jí）。

  *後

  不同類型的激（jī）光（guāng）在金剛石加工中各有優劣，研究人員（yuán）正不斷探索，力（lì）求讓激（jī）光技術在金剛石加工領域發揮更大（dà）作用，推動相關行業發展。