金剛石遇上激光：不同激光類型加工效果大揭秘

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

微秒激光（guāng）：脈寬較寬，適用於粗加工

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

  加工效果與（yǔ）影響：其加（jiā）工時伴隨強烈（liè）熱（rè）損傷，長脈寬的微秒激光峰值（zhí）功率在幾千瓦且脈衝持續時（shí）間長，導致存在較深的熱影響區。如（rú）在加工金剛石時，熱影響區可達 6.8μm。

 脈（mò）寬450μs激光得到PCD複（fù）合材料（liào）的FIB截麵（miàn）圖  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（gōng）時間短等優點，在企業生產中廣泛（fàn）應用，目前占據了較大的市場（chǎng）份額。

  熱影響與相關研究：但納秒激光燒蝕過程對（duì）樣（yàng）品具（jù）有熱破壞性，宏觀上表現為（wéi）加工（gōng）產生（shēng）較大的熱影響區。

  南京航空航天大學建立了（le）三維移動納秒脈（mò）衝高斯激光燒蝕單晶金剛（gāng）石的（de）有限元模擬模型，得到不（bú）同掃描時間下單晶金剛石內的熱（rè）傳導及溫度分布；

   不同掃描時間單（dān）晶金剛石（shí）內的熱傳導和溫度分布，箭頭表示導熱（rè）熱流方向（xiàng）  圖源：論文（wén）

  日（rì）本慶應（yīng）義塾大（dà）學將納秒激光加工金剛石產生的缺陷（xiàn）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（zhǒng）缺陷的產生原因。

  皮秒激光：脈衝持續時間減小，熱影響區損傷降低（dī）

  加工特性與優勢：皮秒（miǎo）激光加工既不同於（yú）納秒激光的熱平衡燒蝕，也不完全等於飛秒激光的（de）冷（lěng）加工，脈衝持（chí）續時間的顯著減小（xiǎo）極大程（chéng）度地降低了熱影響區帶來（lái）的損（sǔn）傷。

  溫（wēn）邱玲等人使用紅外皮秒激（jī）光加工 CVD 單晶金剛石微槽，僅在微槽邊緣存在不規則微（wēi）小崩邊和微（wēi）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（shí）刀具，可快速加工出無任何邊緣（yuán）開裂的刀具。

  作用機製與（yǔ）現象：與納秒激光類似，皮秒（miǎo）激光與金（jīn）剛石相（xiàng）互作用時也是通過表麵（miàn）石墨化進行，並且隨（suí）著皮秒激光能量密度的增加，石墨峰出現明（míng）顯的（de）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（shí）內部（bù）產（chǎn）生石墨化現象，並基於此製備（bèi）了石墨化（huà）的微結構陣列，還研究了（le）晶體（tǐ）取（qǔ）向對皮（pí）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 色心的熒光由於激光體修飾過程有增強的現（xiàn）象。

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

  飛秒激光：加工精度高，但效率較低（dī）

  高精度加（jiā）工特點：飛秒激光加工精度高，能（néng）在極（jí）短的脈衝持續時間內（nèi），*大程度地避免熱影響區形（xíng）成，以*小的熱損傷精準加工（gōng）金剛（gāng）石表麵結構，更（gèng）適合於金剛（gāng）石特殊形狀的精細加（jiā）工。例如，飛秒脈衝激（jī）光能（néng）在較低的平均功率下產生極高的功率密度，使金剛石晶格中的C-C共價鍵發生解離。

  效率（lǜ）與成本（běn）問題：但其加工效（xiào）率較（jiào）低，且飛（fēi）秒激光器自身昂貴的造（zào）價及維護成本限製了（le）加（jiā）工（gōng）方法的推廣（guǎng），目前關於（yú）飛秒激光加工金剛石的研究大（dà）多（duō）停留在實驗室階段。與納秒激光相比，飛秒激光加工的表麵質量更高（gāo），但總體的材料去除速率（lǜ）較低（dī）。如韓源等計（jì）算得出飛秒激（jī）光燒蝕速率比（bǐ）微秒激光燒蝕速率低兩（liǎng）個數量級。

  *後

  不（bú）同類型的激光（guāng）在金剛石加工中各有優劣，研究（jiū）人員正不斷探索，力（lì）求讓激（jī）光技術在金剛石加工領域發揮更（gèng）大作用，推動相關（guān）行業發展。