金剛石因其機械硬度極高、熱導率優(yōu)異、化學惰性強、光學帶隙大等優(yōu)點而被廣泛應用于制造業(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衍射元件，以及半導體行業(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，從而導致材料加熱并達到熱平衡狀態(tài)，如圖1(a)所示。這一過程中產(chǎn)生了明顯的熱效應，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)。日本慶應義塾大學的

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)生原因進行了詳細解釋。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；凹槽的變形及其與高斯激光的偏差是由于激光誘導等離子體增強吸收所致；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光學擊穿效應作用于激光輻照區(qū)域，導致大量電子離化，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（可達數(shù)GW），這種高功率密度能夠使金剛石晶格中的C-C共價鍵發(fā)生解離。激光作用下的金剛石-石墨化轉(zhuǎn)變導致碳原子間距增加，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域。隨著金剛石化學氣相沉積（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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