激光“雕刻”金刚石：用光征服最硬材料
发布时间：
2025-05-20
金刚石是自然界最坚硬的物质，但它不只是珠宝。这种材料导热性能比铜快5倍，能承受极端高温和辐射，还能透光、绝缘，甚至被改造成半导体。然而，正是这些“超能力”让金刚石成了“最难加工”的材料——传统工具要么切不动它，要么会留下裂痕。直到激光技术的出现，人类终于找到了一把征服这颗“材料之王”的钥匙。
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为什么激光能“切动”金刚石？
想象用放大镜聚焦阳光点燃纸张，激光加工金刚石的原理类似，但更精密。当高能激光束照射金刚石时，会发生一场微观的“碳原子变形记”：
1、金刚石变身石墨：
激光能量让表面金刚石结构（sp³）变为较软的石墨（sp²），就像钻石瞬间“退化”成了铅笔芯。
2、石墨被“蒸发”：
石墨层在高温下升华，或被氧气刻蚀，最终留下精准的加工痕迹。
3、关键突破口：缺陷
理论上，完美金刚石只能被紫外激光（波长<229 nm）加工，但现实中的人工金刚石总存在微小缺陷（如杂质、晶界）。这些缺陷就像“漏洞”，让普通绿光（532 nm）或红外激光（1064 nm）也能被吸收。科学家甚至能通过调控缺陷分布，“指挥”激光在金刚石上刻出特定图案。
激光类型：从“火炉”到“冰刀”的进化
激光加工结合计算机数控系统、先进光学系统以及高精度和自动化工件定位，可形成研制和生产加工中心。应用于金刚石加工，能实现高效、高精度加工。不同激光束类型作用于金刚石表面，加工效果差异显著。用于金刚石加工的激光依据激光脉冲长度和原子晶格碰撞之间的大小关系分为“热加工”和“冷加工”两类，最具代表性的是纳秒激光和飞秒激光。
1、微秒激光加工
微秒激光脉宽较宽，通常适用于粗加工。在锁模技术出现前，激光脉冲大多在微秒与纳秒量级，当前关于微秒激光直接加工金刚石的报道较少，且大多关注后端加工应用领域。
2、纳秒激光加工
纳秒激光目前占据较大市场份额，具有稳定性好、成本低、加工时间短等优点，在企业生产中广泛应用。不过，纳秒激光烧蚀过程对样品有热破坏性，宏观表现为加工产生较大热影响区。
3、皮秒激光加工
皮秒激光加工介于纳秒激光热平衡烧蚀和飞秒激光冷加工之间，脉冲持续时间显著减小，极大降低了热影响区带来的损伤。
4、飞秒激光加工
超快激光技术为金刚石精细加工带来机遇，但飞秒激光器造价及维护成本高昂，限制了加工方法推广，目前相关研究大多停留在实验室阶段。飞秒激光加工中，激光能量通过光诱导光学击穿效应作用于激光辐照区域，大量电子离化导致结构和相组成改变，对于金刚石则是发生 sp³相向 sp²相的转变，随后发生照射区域材料烧蚀。
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