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。上期我們了解了金剛石的激光加工原理，今天一起來看看不同激光束類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，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)較大市場份額，加工有熱破壞性

優(yōu)勢與市場情況：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)了較大的市場份額。

熱影響與相關(guān)研究：但納秒激光燒蝕過程對樣品具有熱破壞性，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，包括開裂、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：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，可快速加工出無任何邊緣開裂的刀具。

作用機(jī)制與現(xiàn)象：與納秒激光類似，皮秒激光與金剛石相互作用時(shí)也是通過表面石墨化進(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。

最后

不同類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，推動相關(guān)行業(yè)發(fā)展。你對哪種激光的加工效果最感興趣呢？