金刚石遇上激光:不同激光类型加工效果大揭秘

金刚石加工困难，而激光加工技术为其提供了解决方案，将激光加工技术应用于金刚石加工，可实现金刚石的高效、高精度加工。上期我们了解了金刚石的激光加工原理，今天一起来看看不同激光束类型作用于金刚石表面达到的加工效果存在哪些巨大差异。

微秒激光：脉宽较宽，适用于粗加工

特点与应用：微秒激光脉宽较宽，通常适用于粗加工。例如，笔者课题组使用波长为 1064nm 的 Nd:YAG 型微秒精密激光切割机完成了金刚石热沉结构的加工。

加工效果与影响：其加工时伴随强烈热损伤，长脉宽的微秒激光峰值功率在几千瓦且脉冲持续时间长，导致存在较深的热影响区。如在加工金刚石时，热影响区可达 6.8μm。

脉宽450μs激光得到PCD复合材料的FIB截面图  图源：论文

纳秒激光：占据较大市场份额，加工有热破坏性

优势与市场情况：纳秒激光具有稳定性好、成本低、加工时间短等优点，在企业生产中广泛应用，目前占据了较大的市场份额。

热影响与相关研究：但纳秒激光烧蚀过程对样品具有热破坏性，宏观上表现为加工产生较大的热影响区。

南京航空航天大学建立了三维移动纳秒脉冲高斯激光烧蚀单晶金刚石的有限元模拟模型，得到不同扫描时间下单晶金刚石内的热传导及温度分布；

不同扫描时间单晶金刚石内的热传导和温度分布，箭头表示导热热流方向  图源：论文

日本庆应义塾大学将纳秒激光加工金刚石产生的缺陷分成四类，包括开裂、波纹、变形槽道以及碎屑沉积，并解释了各种缺陷的产生原因。

皮秒激光：脉冲持续时间减小，热影响区损伤降低

加工特性与优势：皮秒激光加工既不同于纳秒激光的热平衡烧蚀，也不完全等于飞秒激光的冷加工，脉冲持续时间的显著减小极大程度地降低了热影响区带来的损伤。

温邱玲等人使用红外皮秒激光加工 CVD 单晶金刚石微槽，仅在微槽边缘存在不规则微小崩边和微裂纹；

Nozomi Takayama 等利用皮秒脉冲激光加工具有特殊结构的单晶金刚石刀具，可快速加工出无任何边缘开裂的刀具。

作用机制与现象：与纳秒激光类似，皮秒激光与金刚石相互作用时也是通过表面石墨化进行，并且随着皮秒激光能量密度的增加，石墨峰出现明显的红移。

Sergei M. Pimenov 等利用皮秒激光作用于金刚石内部，观察到金刚石内部产生石墨化现象，并基于此制备了石墨化的微结构阵列，还研究了晶体取向对皮秒激光烧蚀过程的影响，同时发现了 3H 色心、NV 色心的产生，且 NV 色心的荧光由于激光体修饰过程有增强的现象。

不同激光能量下皮秒激光烧蚀金刚石微槽中心位置处的拉曼光谱  图源：论文

飞秒激光：加工精度高，但效率较低

高精度加工特点：飞秒激光加工精度高，能在极短的脉冲持续时间内，最大程度地避免热影响区形成，以最小的热损伤精准加工金刚石表面结构，更适合于金刚石特殊形状的精细加工。例如，飞秒脉冲激光能在较低的平均功率下产生极高的功率密度，使金刚石晶格中的C-C共价键发生解离。

效率与成本问题：但其加工效率较低，且飞秒激光器自身昂贵的造价及维护成本限制了加工方法的推广，目前关于飞秒激光加工金刚石的研究大多停留在实验室阶段。与纳秒激光相比，飞秒激光加工的表面质量更高，但总体的材料去除速率较低。如韩源等计算得出飞秒激光烧蚀速率比微秒激光烧蚀速率低两个数量级。

最后

不同类型的激光在金刚石加工中各有优劣，研究人员正不断探索，力求让激光技术在金刚石加工领域发挥更大作用，推动相关行业发展。你对哪种激光的加工效果最感兴趣呢？