飛秒激光在鉆石加工中的應用與技術特性

    鉆石憑借其高硬度、優異熱導率、獨特光澤及反射性等卓越特性，在切割工具、半導體及電子等領域占據重要地位。傳統鉆石加工方法包括電火花、機械研磨和水射流處理，但這些方法在應用中存在精度偏低、工藝復雜、效率低下及環境污染等問題。近年來，高精度飛秒激光加工技術在鉆石加工領域得到廣泛應用，為解決傳統加工難題提供了新途徑。

    飛秒激光加工的技術優勢

    與納秒激光和皮秒激光加工相比，飛秒激光的脈沖持續時間僅為10?1?秒，遠短于電子-晶格弛豫過程的時間（10?1?至10?12秒）。這一特性使得飛秒激光加工能夠有效減少鉆石表面在加工過程中產生的裂紋、熱影響區及石墨化現象。

    Wei等人的研究表明，飛秒激光進行鉆石消融時存在兩種機制：在高速掃描或低單脈沖能量條件下，鉆石表面會經歷材料熔化與再固化過程；而當掃描速度降低或脈沖激光能量增加時，金剛石涂層的消融過程則轉變為熔化、石墨化和蒸發的三階段機制。

    飛秒激光能量對鉆石加工的影響

    Khomich等人指出，不同能量的飛秒激光照射可使金剛石實現三種不同的石墨化階段：當能量接近閾值時，石墨化速率取決于光場穿透晶體的程度；隨著照射能量增加，石墨化前沿的穿透深度會突然達到飽和；當飛秒激光能量密度超過一定閾值時，金剛石晶體內可實現整體石墨化。

    Bakhtiar等人的研究證實，當飛秒激光輻照通量提高至3.9J/cm2時，金剛石的四面體sp3相可轉變為具有高結晶度的sp2芳香相，且不會形成熱影響區或熱裂紋；但當輻照通量超過3.9J/cm2時，飛秒光照射區域內的平面晶體域會顯著減小，不過sp2芳香聚集仍然存在。

    Kononenko等人的報告顯示，根據飛秒激光能量的不同，加工過程會呈現三種不同狀態：在第一種狀態下，通過最低3-4J/cm2的激光通量，可成功制備高度取向的石墨；在第二種狀態下，當使用約4-20J/cm2的飛秒激光通量時，石墨化材料會轉變為非晶態；在第三種狀態下，當飛秒激光通量超過20J/cm2時，石墨化的厚度層會顯著增加至約1微米，且該石墨化層可作為阻止進一步石墨化的屏障。

    飛秒激光加工在鉆石功能結構制備中的應用

    近期，Rossi等人對飛秒激光加工的金剛石表面及埋藏區域的相變、結構缺陷及應力發展進行研究，發現電極的導電路徑既包含導電的石墨相，也包含無序的金剛石路徑，而檢測器的性能主要取決于未處理金剛石內部的電荷傳輸。

    Lin等人證實，利用飛秒激光可在金剛石片的表面和內部成功制造光學光柵和線，盡管僅有部分材料從單晶相轉變為非晶相。同時，Ashikkalieva等人報告稱，通過飛秒激光處理，能夠在單晶金剛石中生成具有特定內部納米結構和電學性質的石墨化線；當激光束在金剛石晶體內部旋轉時，激光誘導的sp2納米片沿金剛石晶體平面方向的排列會發生顯著變化，且改進的飛秒激光脈沖寬度可提高線的導電性及研究范圍內sp2包含物的厚度。

    此外，Mastellone等人報告指出，通過飛秒激光引發的金剛石到石墨的相變，可在金剛石塊中形成垂直微結構。這一成果證實了將石墨微線嵌入金剛石中的可行性，此類微線在高溫應用中表現出色，如在熱離子發射器中的應用。

    飛秒激光加工技術憑借其獨特的脈沖特性，在鉆石加工中展現出顯著優勢，不僅有效解決了傳統加工方法的諸多問題，還為鉆石功能結構的精準制備提供了可靠技術手段，在相關工業及科研領域具有重要的應用價值與發展前景。