金剛石加工困難，而激光加工技術(shù)為其提供了解決方案，將激光加工技術(shù)應(yīng)用于金剛石加工，可實(shí)現(xiàn)金剛石的高效、高精度加工，今天一起來(lái)看看不同激光束類(lèi)型作用于金剛石表面達(dá)到的加工效果存在哪些巨大差異。

       微秒激光：脈寬較寬，適用于粗加工

       特點(diǎn)與應(yīng)用：微秒激光脈寬較寬，通常適用于粗加工。例如，筆者課題組使用波長(zhǎng)為 1064nm 的 Nd:YAG 型微秒精密激光切割機(jī)完成了金剛石熱沉結(jié)構(gòu)的加工。

       加工效果與影響：其加工時(shí)伴隨強(qiáng)烈熱損傷，長(zhǎng)脈寬的微秒激光峰值功率在幾千瓦且脈沖持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致存在較深的熱影響區(qū)。如在加工金剛石時(shí)，熱影響區(qū)可達(dá) 6.8μm。

 脈寬450μs激光得到PCD復(fù)合材料的FIB截面圖  圖源：論文

       納秒激光：占據(jù)較大市場(chǎng)份額，加工有熱破壞性

       優(yōu)勢(shì)與市場(chǎng)情況：納秒激光具有穩(wěn)定性好、成本低、加工時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，在企業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，目前占據(jù)了較大的市場(chǎng)份額。

       熱影響與相關(guān)研究：但納秒激光燒蝕過(guò)程對(duì)樣品具有熱破壞性，宏觀上表現(xiàn)為加工產(chǎn)生較大的熱影響區(qū)。

       南京航空航天大學(xué)建立了三維移動(dòng)納秒脈沖高斯激光燒蝕單晶金剛石的有限元模擬模型，得到不同掃描時(shí)間下單晶金剛石內(nèi)的熱傳導(dǎo)及溫度分布；

        不同掃描時(shí)間單晶金剛石內(nèi)的熱傳導(dǎo)和溫度分布，箭頭表示導(dǎo)熱熱流方向  圖源：論文

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

       皮秒激光：脈沖持續(xù)時(shí)間減小，熱影響區(qū)損傷降低

       加工特性與優(yōu)勢(shì)：皮秒激光加工既不同于納秒激光的熱平衡燒蝕，也不完全等于飛秒激光的冷加工，脈沖持續(xù)時(shí)間的顯著減小極大程度地降低了熱影響區(qū)帶來(lái)的損傷。

       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規(guī)則微小崩邊和微裂紋；

       Nozomi Takayama 等利用皮秒脈沖激光加工具有特殊結(jié)構(gòu)的單晶金剛石刀具，可快速加工出無(wú)任何邊緣開(kāi)裂的刀具。

       作用機(jī)制與現(xiàn)象：與納秒激光類(lèi)似，皮秒激光與金剛石相互作用時(shí)也是通過(guò)表面石墨化進(jìn)行，并且隨著皮秒激光能量密度的增加，石墨峰出現(xiàn)明顯的紅移。

       Sergei M. Pimenov 等利用皮秒激光作用于金剛石內(nèi)部，觀察到金剛石內(nèi)部產(chǎn)生石墨化現(xiàn)象，并基于此制備了石墨化的微結(jié)構(gòu)陣列，還研究了晶體取向?qū)ζっ爰す鉄g過(guò)程的影響，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了 3H 色心、NV 色心的產(chǎn)生，且 NV 色心的熒光由于激光體修飾過(guò)程有增強(qiáng)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(diǎn)：飛秒激光加工精度高，能在極短的脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)，最大程度地避免熱影響區(qū)形成，以最小的熱損傷精準(zhǔn)加工金剛石表面結(jié)構(gòu)，更適合于金剛石特殊形狀的精細(xì)加工。例如，飛秒脈沖激光能在較低的平均功率下產(chǎn)生極高的功率密度，使金剛石晶格中的C-C共價(jià)鍵發(fā)生解離。

       效率與成本問(wèn)題：但其加工效率較低，且飛秒激光器自身昂貴的造價(jià)及維護(hù)成本限制了加工方法的推廣，目前關(guān)于飛秒激光加工金剛石的研究大多停留在實(shí)驗(yàn)室階段。與納秒激光相比，飛秒激光加工的表面質(zhì)量更高，但總體的材料去除速率較低。如韓源等計(jì)算得出飛秒激光燒蝕速率比微秒激光燒蝕速率低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

       最后

       不同類(lèi)型的激光在金剛石加工中各有優(yōu)劣，研究人員正不斷探索，力求讓激光技術(shù)在金剛石加工領(lǐng)域發(fā)揮更大作用，推動(dòng)相關(guān)行業(yè)發(fā)展。