激光加工：解鎖激光加工金剛石的奧秘

    金剛石因其機(jī)械硬度極高、熱導(dǎo)率優(yōu)異、化學(xué)惰性強(qiáng)、光學(xué)帶隙大等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)。它用于制造刀具、電子封裝散熱片、高功率激光器上的光學(xué)衍射元件，以及半導(dǎo)體行業(yè)等。然而，金剛石也被稱為“最難加工”的材料之一。目前，主要的金剛石加工方法包括電火花加工、磨料水射流加工、機(jī)械加工和激光加工。在這些方法中，激光加工因其非接觸加工、成本低、工藝簡單和刻蝕效率高而成為一種制造金剛石微結(jié)構(gòu)的先進(jìn)方法。

    金剛石加工中采用的激光可根據(jù)脈沖長度與原子晶格碰撞之間的關(guān)系分為“熱加工”和“冷加工”兩類，最典型的是納秒激光和飛秒激光。這兩種激光與電子和晶格的相互作用模式如圖1所示。對金剛石而言，其電子和空穴的弛豫時間分別為1.5ps和1.4ps。激光與金剛石的作用導(dǎo)致電子與晶格之間的熱傳遞。對于脈沖持續(xù)時間較長的納秒激光而言，其電子所沉積的激光能量在材料受到激光脈沖照射的時間內(nèi)便傳遞給了晶格，從而導(dǎo)致材料加熱并達(dá)到熱平衡狀態(tài)，如圖1(a)所示。這一過程中產(chǎn)生了明顯的熱效應(yīng)，因此稱之為“熱加工”。而對于飛秒激光而言，其激光脈沖寬度小于電子聲子相互作用的時間尺度，因此電子沉積的激光能量無法傳遞給離子，激光脈沖輻照即告結(jié)束。此時，離子的溫度較低，因此被稱為“冷加工”，見圖1(b)。

    圖1激光與電子、晶格相互作用模型。（a）納秒激光

    圖1激光與電子、晶格相互作用模型。（b）飛秒激光

    通常情況下，納秒激光的燒蝕過程對樣品具有熱破壞性，其宏觀表現(xiàn)是加工產(chǎn)生較大的熱影響區(qū)。日本慶應(yīng)義塾大學(xué)的

NozomiTakayama將納秒激光加工鉆石產(chǎn)生的缺陷分為四類：開裂、波紋、變形槽道以及碎屑沉積，并對各種缺陷的產(chǎn)生原因進(jìn)行了詳細(xì)解釋。裂紋是由于加工過程中急劇的溫度變化引起的；波紋則是由于凹槽壁反射激光而產(chǎn)生干涉效應(yīng)；凹槽的變形及其與高斯激光的偏差是由于激光誘導(dǎo)等離子體增強(qiáng)吸收所致；而沉積的碎屑主要有兩種類型：圓形的石墨碳顆粒和較小的不規(guī)則金剛石顆粒。

    在飛秒激光加工中，激光能量通過光誘導(dǎo)光學(xué)擊穿效應(yīng)作用于激光輻照區(qū)域，導(dǎo)致大量電子離化，從而引起結(jié)構(gòu)和相組成的改變。對于金剛石而言，這種過程導(dǎo)致了sp3相向sp2相的轉(zhuǎn)變，隨后發(fā)生了照射區(qū)域的材料燒蝕。飛秒脈沖激光能夠在較低的平均功率下產(chǎn)生極高的功率密度（可達(dá)數(shù)GW），這種高功率密度能夠使金剛石晶格中的C-C共價(jià)鍵發(fā)生解離。激光作用下的金剛石-石墨化轉(zhuǎn)變導(dǎo)致碳原子間距增加，降低了態(tài)密度并改變了固體的物理化學(xué)性質(zhì)。由于極短的脈沖持續(xù)時間，最大程度地減少了熱影響區(qū)的形成可能性，從而以最小的熱損傷精確加工金剛石表面結(jié)構(gòu)。

    激光在金剛石材料加工中的應(yīng)用研究主要集中在激光切割、激光打孔、微槽道加工以及激光平整化等領(lǐng)域。隨著金剛石化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)的日益成熟，金剛石加工問題逐漸成為金剛石應(yīng)用的主要限制性因素。在這一背景下，激光加工憑借其優(yōu)異的加工性能逐漸成為金剛石加工的主流方法。

    通過激光技術(shù)，我們能夠更有效地塑造金剛石，解鎖其在制造業(yè)中的巨大潛力，為技術(shù)發(fā)展開辟新的可能性。

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