金剛（gāng）石遇上激光：不同（tóng）激光類型加工效果大揭秘

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

微秒激光：脈寬較寬，適用（yòng）於粗加工

  特點與應用：微秒激光脈寬較寬，通常適用於粗加工。例如，筆者課題組（zǔ）使用（yòng）波長為（wéi） 1064nm 的 Nd:YAG 型微秒精密激光（guāng）切割機完成了金剛石熱沉結構的加工。

  加工效果與影響：其加工時伴（bàn）隨強烈熱（rè）損傷，長脈寬的（de）微（wēi）秒激光峰值功率在幾千瓦且脈衝持續時間長，導致存（cún）在較深的熱（rè）影響區。如（rú）在加工金剛石時，熱影響區可達 6.8μm。

 脈（mò）寬（kuān）450μs激光得到PCD複合（hé）材料的FIB截麵圖  圖源：論文

  納秒激光：占據較大市場份額，加（jiā）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（běn）低（dī）、加（jiā）工時間短等優點，在企業生產中廣泛應用，目前（qián）占據（jù）了（le）較大的市場份（fèn）額。

  熱影（yǐng）響與相關研究：但納（nà）秒激光燒蝕過程對樣品具有（yǒu）熱破壞性，宏觀上表現為加工產生（shēng）較大（dà）的熱影響區。

  南京航（háng）空航天大學建立了三（sān）維移動（dòng）納秒脈衝高斯激光燒蝕單晶金剛石的有限元模擬模型，得（dé）到不同掃描（miáo）時間下單晶金剛石內的（de）熱傳（chuán）導（dǎo）及溫度分布；

   不同掃描時間單晶金剛石內的（de）熱傳（chuán）導和溫度分布（bù），箭頭表示導熱熱（rè）流方（fāng）向  圖源：論文

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

  皮秒激光：脈衝持續時間減小，熱影響區損傷降低

  加工特性與優勢：皮秒激光加工既不同（tóng）於（yú）納秒激光的熱平衡燒蝕，也不（bú）完（wán）全等於飛秒激光的冷加工，脈衝（chōng）持續時間（jiān）的（de）顯著減小極大程度地降低了熱影響區（qū）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（zài）微槽（cáo）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（chōng）激光加（jiā）工具有特殊結構（gòu）的單晶金剛石刀具，可快速加工出無（wú）任何邊緣（yuán）開裂的刀具。

  作（zuò）用機製與現象（xiàng）：與納（nà）秒（miǎo）激光類似，皮秒激光與（yǔ）金剛石相互作用時也（yě）是通（tōng）過表麵石墨（mò）化進（jìn）行，並且隨著皮秒激光能（néng）量密度的增加，石墨峰（fēng）出現明顯的紅移。

  Sergei M. Pimenov 等利用皮秒激光作用（yòng）於金剛石內部（bù），觀（guān）察到金剛石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，還研究了晶體取向對皮秒激光燒蝕過程的（de）影響（xiǎng），同（tóng）時發現了 3H 色心、NV 色心的產（chǎn）生，且 NV 色心的熒光由於激光體修飾（shì）過（guò）程有增強的現象。

 不同激光能量下皮秒激光燒蝕（shí）金（jīn）剛石微槽中心位置處的拉（lā）曼光譜  圖源（yuán）：論文

  飛（fēi）秒激光：加工精度高，但（dàn）效（xiào）率（lǜ）較低

  高精度加工（gōng）特（tè）點：飛秒激光加工精度（dù）高，能在極短的脈衝持續時間內，*大程度地避免熱影（yǐng）響區形成，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的精細加工。例如，飛秒脈衝激光能在較（jiào）低的平均功率下產生極（jí）高的功率密度，使金剛石晶格中的C-C共價鍵發（fā）生解離。

  效率與成本問題：但其（qí）加工效率較低，且飛秒激光器自身昂貴（guì）的造價及維護成本限製了（le）加工方法的推廣，目前（qián）關於飛秒（miǎo）激光加工金剛石的研究大多停留在（zài）實（shí）驗室階段（duàn）。與納秒激光（guāng）相比，飛秒激光（guāng）加（jiā）工的表（biǎo）麵質量更高，但總體的材料去（qù）除速率較低。如韓源（yuán）等（děng）計算得出飛秒激光燒蝕（shí）速率（lǜ）比微秒激光燒蝕（shí）速率低兩個數量級。

  *後

  不同類型的激光在金（jīn）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石加工領（lǐng）域發揮更大作用，推動相關行業發展。