激光加工是目前金剛石的主流加工方法，相較于傳統(tǒng)的機械加工形式，激光加工精度高、效率高、普適性強，因而在金剛石切割、微孔成型、微槽道加工及平整化等方面均得到廣泛應用。下文將闡述金剛石激光加工原理。

激光產生及主要特征

理論基礎：1917 年愛因斯坦基于量子理論提出原子或分子在光子激勵下產生受激發(fā)射或吸收，為激光器出現(xiàn)奠定基礎。

Nd:YAG晶體能級結構簡圖  圖源：論文

產生條件：以 Nd:YAG 晶體為例，激光產生需滿足受激輻射光放大、集居數反轉及激光振蕩臨界狀態(tài)三大條件，對應泵浦源、工作介質和諧振腔三個基本結構。

激光特性：激光是受激輻射相干光源，具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性，時間和空間控制性能好。

金剛石吸收激光能量

燒蝕原理：激光燒蝕通過激光束照射去除固體表面材料，影響因素包括脈沖長度、波長、激光功率等。

金剛石和石墨的光電子吸收行為  圖源：論文

金剛石吸收特點：無雜質單晶金剛石僅對特定高能量光子有效吸收，實際加工常用波長激光本不能被其吸收，但金剛石能帶結構受缺陷影響使燒蝕閾值降低利于加工。

超短脈沖激光效應：超短脈沖激光輻照時多光子吸收可使電子激發(fā)，產生相爆炸。燒蝕閾值隨脈沖寬度和脈沖數變化，當前金剛石激光加工向短波長、窄脈沖持續(xù)時間方向發(fā)展。

脈沖持續(xù)時間對金剛石燒蝕閾值的影響  圖源：論文

光致金剛石性能變化

石墨化轉變：激光加工使金剛石溫度升高，引發(fā)雜化軌道向雜化軌道轉變，即石墨化。

透過率降低：石墨化導致金剛石透過率降低，不同脈沖激光均會引起表面光擊穿，長波長激光加工時更明顯。

光電性質改變：金剛石光電性質受內部雜質和缺陷影響，可見光也能造成光子吸收，增加光電導，激光還會改變 NV 色心，相關研究意義重大。

金剛石表面形貌變化

能量密度影響：激光加工金剛石時，入射激光束能量密度影響加工表面形貌。較低能量密度入射使熱影響區(qū)內出現(xiàn)石墨化，較高能量密度下根據脈寬區(qū)域會升華。

偏振影響：線偏振激光輻照時，表面會產生周期性結構，飛秒激光產生的周期性特征更小，更適合納米光柵加工。

其他因素影響：激光能量密度和脈沖數量也會影響納米周期性結構。

800nm飛秒激光輻照金剛石表面掃描電鏡圖片。(a)于3000脈沖激光能量密度1.9J/cm2形成的170nm周期性結構；(b)于8000脈沖激光能量密度2.8J/cm2形成的190nm周期性結構  圖源：論文

激光及激光加工機理是金剛石加工的核心內容，深入理解這些原理有助于推動金剛石激光加工技術的進一步發(fā)展，為其在更多領域的應用奠定堅實基礎。

轉自：DT半導體

以上內容整理自論文《激光技術在金剛石加工中的研究及應用進展》

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