金剛石是自然界最堅硬的物質(zhì)，但它不只是珠寶。這種材料導(dǎo)熱性能比銅快5倍，能承受極端高溫和輻射，還能透光、絕緣，甚至被改造成半導(dǎo)體。然而，正是這些“超能力”讓金剛石成了“最難加工”的材料——傳統(tǒng)工具要么切不動它，要么會留下裂痕。直到激光技術(shù)的出現(xiàn)，人類終于找到了一把征服這顆“材料之王”的鑰匙。

       為什么激光能“切動”金剛石？

       想象用放大鏡聚焦陽光點燃紙張，激光加工金剛石的原理類似，但更精密。當(dāng)高能激光束照射金剛石時，會發(fā)生一場微觀的“碳原子變形記”：  

       1、金剛石變身石墨：

       激光能量讓表面金剛石結(jié)構(gòu)（sp3）變?yōu)檩^軟的石墨（sp2），就像鉆石瞬間“退化”成了鉛筆芯。  

        2、石墨被“蒸發(fā)”：

       石墨層在高溫下升華，或被氧氣刻蝕，最終留下精準(zhǔn)的加工痕跡。  

       3、關(guān)鍵突破口：缺陷  

       理論上，完美金剛石只能被紫外激光（波長<229 nm）加工，但現(xiàn)實中的人工金剛石總存在微小缺陷（如雜質(zhì)、晶界）。這些缺陷就像“漏洞”，讓普通綠光（532 nm）或紅外激光（1064 nm）也能被吸收?？茖W(xué)家甚至能通過調(diào)控缺陷分布，“指揮”激光在金剛石上刻出特定圖案。

       激光類型：從“火爐”到“冰刀”的進化

       激光加工結(jié)合計算機數(shù)控系統(tǒng)、先進光學(xué)系統(tǒng)以及高精度和自動化工件定位，可形成研制和生產(chǎn)加工中心。應(yīng)用于金剛石加工，能實現(xiàn)高效、高精度加工。不同激光束類型作用于金剛石表面，加工效果差異顯著。用于金剛石加工的激光依據(jù)激光脈沖長度和原子晶格碰撞之間的大小關(guān)系分為“熱加工”和“冷加工”兩類，最具代表性的是納秒激光和飛秒激光。

       1、微秒激光加工

       微秒激光脈寬較寬，通常適用于粗加工。在鎖模技術(shù)出現(xiàn)前，激光脈沖大多在微秒與納秒量級，當(dāng)前關(guān)于微秒激光直接加工金剛石的報道較少，且大多關(guān)注后端加工應(yīng)用領(lǐng)域。

       2、納秒激光加工

       納秒激光目前占據(jù)較大市場份額，具有穩(wěn)定性好、成本低、加工時間短等優(yōu)點，在企業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。不過，納秒激光燒蝕過程對樣品有熱破壞性，宏觀表現(xiàn)為加工產(chǎn)生較大熱影響區(qū)。

       3、皮秒激光加工

       皮秒激光加工介于納秒激光熱平衡燒蝕和飛秒激光冷加工之間，脈沖持續(xù)時間顯著減小，極大降低了熱影響區(qū)帶來的損傷。

       4、飛秒激光加工

       超快激光技術(shù)為金剛石精細加工帶來機遇，但飛秒激光器造價及維護成本高昂，限制了加工方法推廣，目前相關(guān)研究大多停留在實驗室階段。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，大量電子離化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和相組成改變，對于金剛石則是發(fā)生 sp3相向 sp2相的轉(zhuǎn)變，隨后發(fā)生照射區(qū)域材料燒蝕。

       舉個例子： 

       納秒激光像“熱刀切黃油”：快速高效，但切口邊緣可能被燙焦。  

       飛秒激光像“冰刀刻水晶”：每一束光脈沖都短到來不及傳熱，直接讓材料“冷蒸發(fā)”，留下光滑的納米級結(jié)構(gòu)。  

       激光加工金剛石研究進展

       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方面。當(dāng)前，隨著金剛石 CVD 技術(shù)日益成熟，金剛石加工問題逐漸成為其應(yīng)用的主要限制性因素，而激光加工憑借優(yōu)異性能，正逐漸成為金剛石的主流加工方法。

       結(jié)語

       從“切不動”到“隨心刻”，激光技術(shù)讓金剛石不再是困在實驗室的“花瓶”。隨著技術(shù)迭代，未來我們可能會看到：鉆石芯片在手機中散熱、量子計算機用金剛石存儲信息、甚至人體內(nèi)植入金剛石生物傳感器……這場光與鉆石的共舞，正在改變我們的生活。