俗話說，“沒有金剛鑽，不攬瓷器活”，很直觀地反應了自古以來人們對金剛石的印象——高硬度！作為（wéi）自然界中硬度最高（gāo）的材料，它不僅僅是精美貴重的寶石，還是（shì）一種應用廣泛的工業原材料……

金剛石及其製品廣泛用於機械加工的磨料、工具以及耐磨（mó）器件等。因此金剛石又被譽為“工業牙齒”，它幾乎可以（yǐ）啃得動任何材料（liào）！由於金剛石材（cái）料（liào）還兼具高熱傳導率、高耐磨性（xìng）、寬帶透明性等功能性質（zhì），也是製作各種耐磨、耐高（gāo）溫、耐（nài）腐蝕、耐輻射元（yuán）器件（jiàn）的首選材料，被廣（guǎng）泛地應用於航空航天、原子能反應堆、高功率激光器、半導體等領域的惡劣和（hé）極端的工作環境。隨著（zhe）工業領域對功能金剛石需求的不斷增長，人（rén）工合成技術的（de）日趨成熟，金剛石材料的價格逐步降低，這也為其大規（guī）模應用創造了可能。

圖1：金剛石（shí）的性能與應用

然而，由於其超高的硬度和穩定的物理化學性能，當（dāng）需要對這種“工業牙齒”加工處理時，誰來攬金剛鑽呢？

尤其是針對微小的結構，金剛石由於其較高的硬度和較低的塑性，其加工一直是一個很大的技術挑戰（zhàn）。傳統的機械加工等方式難以達到預期的加工精度和表（biǎo）麵（miàn）粗糙度，比較適合於（yú）大麵積的表麵加（jiā）工，無法滿足功能性（xìng）元（yuán）器件越來越（yuè）小（xiǎo）型化、精密化的（de）發展趨勢和要求。

激（jī）光技術（shù）的發展提供了一種先進、低成本的加工手段。然而（ér），目前國內外所報道的激（jī）光直接加工金剛石（shí）所獲得的表麵質量仍然較差，粗糙度Ra大多停留在100 nm左右，離金剛石微結構器件的需求相差甚遠。開（kāi）發（fā）工藝簡單（dān）的（de）激光加工（gōng）技術，實現金剛石材料的高質量、光學量級的精密（mì）加工，將在未來金剛石材料的大規模（mó）應用中發揮重（chóng）要的作用。

硬脆（cuì）難加工材料的激光加工

要實現玻璃、陶瓷、矽、藍寶石和金剛石這類高硬度、脆性材料的高質量激（jī）光加工，一個重要的因素是需（xū）要有效控（kòng）製熱效應的影響。由於金剛石硬度最高，金剛石的加（jiā）工依賴於聚（jù）焦離子束和激光束加工，而激光憑借（jiè）極（jí）高的峰值功率（lǜ）、精確的損傷閾值、極小的熱影（yǐng）響區、高（gāo）的（de）加（jiā）工精度，以及適合於各種難加工超硬材料的特點，成為科研人員關（guān）注的焦點。

特別是近年來超快光學和光纖激光器（qì）的迅速發展，使得激光加（jiā）工技術（shù）在激光器（qì）輸出（chū）功率、加工精度及（jí）工藝參數等方麵均得到了完善和提升。受限於成本等因素，目前脈寬在微（wēi）秒、納秒量級的長（zhǎng）脈寬激（jī）光器在工業加（jiā）工中仍占據主流地位，但以熱去（qù）除為作用機（jī）理（lǐ）的加工方式會產生熱影響區，存在材料頻繁重鑄、表麵塗層開裂等問題，無法滿足微納尺度精（jīng）細加工的應用場景。

圖2：激（jī）光加工的優勢

研究表明，加工所用激光的脈衝寬度越窄、峰值功率密度越大，越能夠有效（xiào）減小加工中熱影響區及重鑄層的形（xíng）成。不同晶體結構的材料其電子與離子間的能量弛豫時間在微（wēi）秒至皮秒之（zhī）間，對於大部分材料，當激光的（de）脈寬大於10-12s時，材料（liào）的溫度達（dá）到一定程度時（shí），開始出現熔化、氣化等物理現象。當激光的脈寬達到皮秒、飛秒量級時（shí），整個激光作用過程（chéng）時間極短，材（cái）料的溫度瞬時達到峰（fēng）值，沒來得及熔化就直接轉化為等離（lí）子狀（zhuàng）態，加工過程將幾乎（hū）沒有熱量被自由電子傳導至加工區域的周圍，實（shí）現（xiàn）材料去除，因此飛秒激光的加工過程中沒有明顯的熔渣（zhā）和碎屑，加工質量高，實現幾乎無熱影響區（qū）的“冷（lěng）加工”。

利用超快激光“冷加工”的特性，可應用在各種材料的精細加工中，包括（kuò）金屬、玻璃、藍寶石、半（bàn）導體、塑料等，加工方（fāng）式（shì）涵蓋了打孔、切割、選擇性去（qù）除、微結構製（zhì）備等，特別是近（jìn）年來高端3C製造業對於加工工藝（yì）要求的不斷提升（shēng），使激光加工在消費電子觸摸屏模組生產、半導體晶（jīng）圓劃片切割、柔性太陽能薄膜電池加工、硬脆性材料打（dǎ）孔、切割等領域展現出全（quán）新的應用前景。

01微孔加工

微孔（kǒng）加工（gōng）特別是深微孔加工一直是航空航天、新能源、生物醫療等（děng）高端（duān）製造領域中的關鍵技術。激光打孔技術具（jù）有精度高、通用性強、效率高、成木低和綜合技術經濟效益顯著等優點，已成為現代製（zhì）造領域的關鍵技術之一，為微孔加工提供了先（xiān）進的加工手段。國內目前比較成熟的激光打孔的應用是在金剛石（shí）和天然金剛石拉扮模的生產及鍾表和儀表的寶石軸承、吃機葉片、多層印刷線路板等行業。

圖3：微孔加工與金剛石器件應用

02 激光打標

激光標記機的市場是近幾年發展最快的一項應用技術。激光（guāng）標記是利（lì）用高能量密度（dù）的激光對工件進行局部照射，使表層材（cái）料汽化或發生顏色變化的化學應（yīng），從而（ér）留下（xià）永久性標（biāo）記（jì）的一種技術。由（yóu）於（yú）有（yǒu）多種特點，所以應用（yòng）越來越廣（guǎng）泛，特別是多種電子器件、集成電路模塊、汽車（chē）零件甚至汽車窗（chuāng）玻璃、醫療器械、精密儀器儀表、線路板、橡膠 製品（pǐn）、計算（suàn）機鍵盤、手機麵板、精美禮品、玻璃製品等等。

03 激光切割（gē）、劃線

激光在切割、劃線中是激光微細（xì）加工（gōng）中（zhōng）最為廣泛的應用之一，隨著激光器功（gōng）率和光束質量的不斷提高以及（jí）數控機床、掃描振鏡等配套技術（shù）的不斷完善，激（jī）光在加工精度和效（xiào）率方麵均得到大幅提升，拓展了工業高精細度切割劃的應用範圍。激光切割主要利用激光束的高功率密度的性質。激光束聚焦很小的（de）光點，擁有巨大的能量，可將材料快速加熱，使其（qí）達到沸點後開始汽化，形成了空洞，再使光束與材料相對運動，在材料表（biǎo）麵形成切縫激光（guāng）切割技術可廣泛應用於金（jīn）屬（shǔ）和非金屬材料的加工中（zhōng），可大大減少加工時間，降低加工成本，提（tí）高工件質量。同時，在玻璃、藍寶（bǎo）石、金剛石等硬脆透明材料應用市場廣闊，由於材料對於不同波長（zhǎng）激光的吸收率（lǜ）存在差異，將不同波長和脈寬的激光應用在金剛石微細加工中是一直以來的研（yán）究重點，同時，由於其高（gāo）硬脆特性，加工難度大，尤其對金剛石晶（jīng）體進行高（gāo）質量、低損耗的加工是一個難題，傳統加工方式主要為機械加工、超聲落料和化學刻蝕等。

圖4：激光（guāng）加工的應用（yòng）

目前，激（jī）光切割主要應用在航空（kōng）航天工（gōng）業和（hé）汽車製造業中，如飛機框架、飛機主旋翼、汽車車架等切割。另外，在消費電（diàn）子產品領域顯然提（tí）供了最多的證據。手機、微處理器、顯示器、內存芯片都是（shì）極其複雜的組件，由大量（liàng）的不同材料、尺寸很（hěn）小、厚（hòu）度極小的多層材料組成。因而（ér）需要先進的、高精密度（dù）的加工能力，以及（jí）在經（jīng）濟上可行（háng）的大批（pī）量生產的能力。同步發（fā）展加工、激光技術以及（jí）新的光束（shù）傳輸技術，來滿足目前以及未來可能出現的挑戰。

飛秒激光誘導金剛石微納結構

另外，由於金剛石出色的性能及其色心體係對（duì）於量子科學超（chāo）靈（líng）敏探測領域（yù）的深遠意義，近年（nián）來，國內外眾多高校與頭部企業競相開展金剛石內部微納加工的理論和實（shí）驗研究。

針對微結構的（de）加工，當（dāng）前多（duō）采用光刻技術來實現。但光刻（kè）工藝流程較為複雜，成本較（jiào）高，且無法直接用（yòng）於材料（liào）三（sān）維和內部結構的（de）製備。超快激光的獨特特性使材料加工發生了迅速（sù）革命性的變化，成為有效途徑。

01“激（jī）”發金剛石（shí）無限潛能

多年來，矽和鍺一直被認為（wéi）是合適製（zhì）造探測器和集成光（guāng）電器件的半導體材料然而，與金剛石基（jī）器件相比，這（zhè）種四價半導體的抗輻射損傷能力較差，而且在惡劣條件或高強光輻照下，器件的穩定性較差近年來，金剛石因其優異的光學與力學性能，在集成光子（zǐ）學傳感和量子光學等領域展現了巨大（dà）的應用前景

圖5：金剛石結構

在金剛石晶體中，碳原子以sp3雜化（huà）軌道與另外四個碳原子形成共價鍵，構成四麵（miàn）體，所有價電子都參與了（le）共價鍵的形成金剛石不僅硬（yìng）度大熔點高高度透（tòu）明（míng），而且不導（dǎo）電（diàn）金剛石廣（guǎng）泛應用於電子器械（xiè）機械加工石油勘探醫療等領域

隨著量子信息科學技術的蓬勃發（fā）展，金剛石由於其出色的光電性能化學穩定性以（yǐ）及可在室溫下通過光學（xué）和磁共振方法（fǎ）實現（xiàn）自旋（xuán）極化和調控的特性，有望應用於固態量子係統中進行如磁場電場應力壓強溫度以及核（hé）自旋等微小物理信號的靈敏探測在高（gāo）精度機械傳感方麵，由於其高導（dǎo）熱（rè）性（xìng）而具有低熱彈性損（sǔn）耗，使得機械諧振器在高頻率下工作而不受顯著阻尼的影（yǐng）響

此外，金（jīn）剛石提供的光學透明度是自然形成的材料中最寬的，從UV區域(~225 nm)延伸到太赫茲(THz)頻率，甚至（zhì）微（wēi）波區域(~8000 μm)，在（zài）這些（xiē）波段具有低群速度色散，因此適用於製備集成光子學器件（jiàn）

圖6：金剛石NV色心

近年來（lái）對金剛石光學活性缺陷中心的研究表明，在金剛石中有 500 種以上色心，它們的發射（shè）波長覆蓋紫外到近紅外波段，色心表現出高度穩定的單光子熒光並提（tí）供一個可控的相幹（gàn）電子自旋，且具有長期的穩定性和低聲子（zǐ）態密度從而導致低的電子-聲子耦合而且金（jīn）剛石（shí）的德拜溫度（dù）極高，這使（shǐ）得其聲子誘導的相位變化（huà）概率（lǜ）很低因此（cǐ），金剛石（shí）色心已經成為不需要在低溫條件下操作的固態單光子發（fā）射（shè）器的唯一候選

02金剛石微納結構（gòu）加工

然而在實際應用中，由於金（jīn）剛石材料本身的（de）超高硬度（dù）高折射（shè）率（lǜ）和低電導率等特點，利用常規方法（fǎ）很難在合適的位（wèi）置精確形成設計的（de）微納結構

要利用（yòng）金剛石進行光子器件和探測器的製造，例如在金（jīn）剛石內部（bù）直寫石墨導（dǎo）電（diàn）回路（lù）等三維微納結構以及圖案化金剛石色心，發展一（yī）種高效可控的在其內（nèi）部製備微納米結構的方法是必須的

最近，有研究利（lì）用各向異性的等離子體斜角度蝕刻金（jīn）剛石，這種（zhǒng）角度蝕（shí）刻方法可在（zài）大塊單晶金剛石表麵製造獨立的納米尺度組件（jiàn），包括納米機械諧（xié）振器（qì） 光波導光子晶（jīng）體和微盤腔等但與其他方法一樣，其製備的幾何結構僅限於在（zài）金剛石表麵

另外，傳統的高能射線輻（fú）照等色心製備方法很難實現在金剛石內部任（rèn）意位置精（jīng）確誘導色心，限（xiàn）製了色心與微納光學結構集成的空間自由度離子注入（rù）法以唯一（yī）能實現指定位置亞（yà）微米級精度色心分布的方法（fǎ）被（bèi）廣泛研究，但受電子束能量和（hé）金剛石表麵（miàn）損傷閾值的限製（zhì），這種方法隻適合在金剛石表麵和較淺層位置誘導色心，且後續熱處（chù）理工序會對金剛石內（nèi）微納結構的光學性能帶（dài）來負麵影響。

03飛秒激光誘導金剛石色心

相對而言（yán），飛秒（miǎo）激光直寫技術（shù）對材料的加（jiā）工基於多光子吸收等（děng）非線性過程，可在表（biǎo）層無損的情（qíng）況下聚焦到金剛石（shí）內部，並突破衍射極（jí）限誘導產生高（gāo）空間分辨的複雜的三維微納結構通過調整加工參數，采用飛秒激（jī）光可以在金剛石實現包含內部和表麵色（sè）心折射率變化（huà）微孔洞和微裂紋等多（duō）種微結構的精準誘導，並通過各種微結構的（de）組合製備（bèi）多種功能性光（guāng）電器（qì）件，這些結構（gòu）在單光子產生光波導（dǎo）探測等方麵具有重要的應用前景

利用飛秒激光輻照在金剛石表麵形成色心的基本原理（lǐ）為：當飛秒激光脈（mò）衝聚焦在金剛石表麵附近，激光（guāng）脈衝具有超（chāo）高的峰值功率，在空氣中傳播時會形成（chéng）強電場，強電場電離空氣產生大量電子，並加速電子沿著激光傳播方向高速行進，高速電子轟（hōng）擊金（jīn）剛石晶（jīng）格可產生晶格空穴，空穴與氮（dàn）原子等雜質原子在隨後的熱處理過（guò）程（chéng）中結合產生色心

盡管（guǎn）飛秒激光直誘導金剛石微納結構的應用前景廣闊（kuò），但還亟需解決一些關鍵的科學和技術問題:其一，在飛秒激光（guāng）直寫金剛石波（bō）導的過程中需要研（yán）究損耗形成的機理，開拓降低傳輸（shū）損耗和耦合（hé）損耗以及彎曲損耗的技術;其二，優化色心（xīn）製備技術，精準無（wú）損誘導色心（xīn）的形成，降低後續熱處理對其（qí）色心性能的影響;其三，進（jìn）一步拓展飛秒激（jī）光誘導金剛（gāng）石結構在量子操控以及精密探測等領域的應用

總體來說，激光加工憑借其高效率、低能耗、高柔性等特點，已經在許（xǔ）多應用領域裏對 傳統加工方式進行替（tì）代，給全球製（zhì）造業帶來了革命性的轉變。隨（suí）著激光在金（jīn）剛石工業領域滲透進（jìn）程的不（bú）斷推進，成為實現金剛石功能應用的有效工具，“激”發金剛石未來應用無限可能！

行業活動

基於此，2021年11月（yuè）18-20日，由DT新材料&中國超硬材料網聯合主（zhǔ）辦的第六（liù）屆國際碳材料（liào）大會暨（jì）產（chǎn）業展覽會——金剛石論壇將在上海跨國采購（gòu）會展中心拉（lā）開帷幕。本屆論壇設置極端（duān）製造與超精密加工論壇，特邀廣東工業大學王成勇教（jiāo）授分（fèn）享《超硬材料（liào）的激光加工》、吉林大學田振男副（fù）教授分享《飛秒激（jī）光加工金剛石微結構及NV色心》……，同時設置超精密加工、激光等4個內部研討會（huì）、特色展（zhǎn）區，圍繞半導體相關產業鏈展開，從半（bàn）導體的超精密加（jiā）工技術、襯（chèn）底技術、高功率器件與（yǔ）碳基散熱解決方案、到半導（dǎo）體（tǐ）電子器件前沿（yán）應用等（děng）展開話題討論，探索金剛石（shí）應用的無限可能！

王成勇 教（jiāo）授、副校長

廣東工業大學

報告題目：超硬材料的激光加（jiā）工（gōng）

王成勇教授、博士生導師、現任廣（guǎng）東工業大學副校長。1989年獲大連理工大學博（bó）士學（xué）位，曾先後在（zài）德國、俄羅斯、澳大利亞等地進行學術訪問。自1983年以來，長期從事金剛石、聚晶金剛石等超硬材料工具加工理論、設計、製造及應用（yòng）技術研（yán）究。長期（qī）擔任《金剛石磨料磨具工程》 雜（zá）誌副主任編委，廣東省超硬精密工具工程技術研究中心副主任（校企聯合），現為教育部高等學校機（jī）械類專業（yè）教學指導委員會委員、廣東省本科高校機械（xiè）類專業教學指導委員會主任委員，廣東省高校現代加（jiā）工技術與設計（jì）重點實驗室主任、廣東省機械工程（chéng）學會副理事長、廣東省機械模具科技促進協會專家委員會主任，全國（guó）光（guāng）輻射安全和激光設備標準（zhǔn）化技術委員會激光材料加工和激光設備分技術委員會委員等。等。主持國家自然科學基金項目12項（含重點項目1項（xiàng），廣東聯合（hé）基金重點（diǎn）項（xiàng）目2項）；已授權發明（míng）專利（lì）63項；已發表SCI論（lùn）文90餘篇（piān）。獲國家科技進步二等獎（2019）、中國機械工業科學技術（shù）獎一等獎（2018）和廣東省科學技術一等獎（2014）各1項；獲廣東省高等學校教學名師獎（2009），享（xiǎng）受國（guó）務院政府特殊津貼。

田振男副教授

吉林大學電子科（kē）學與工程學院

報告題目：飛秒激光加工金剛石微結構及NV色心（xīn）

田振男（nán），副教授，博士生導師。2007畢業（yè）於（yú）吉林大（dà）學物理學院光信息科學與技術專業獲理學學士學位（wèi），2014年畢業於吉林大學物理學院光學（xué）專業獲理學碩士學（xué）位，2017年畢業於吉林大學電子科（kē）學與工（gōng）程學院物理電子學專業（yè）獲博士學位，2018-2019年於意大利米蘭理工物理學院從事博士後研究，2017年至今在吉林大學（xué）電子科學與工程學院任教。

到目前為止，在飛秒激（jī）光（guāng）直寫微光學元件/三維（wéi）光子集成器件製備與調控領域發表SCI論（lùn）文30餘篇，申請國家發明專利5項。作為項目負責（zé）人主持國家自然科學基金項目1項，博士後麵上項目1項；作為主要參（cān）加人參與（yǔ）國（guó）家重（chóng）大科研儀（yí）器研製項目1項，國家重大項目1項。擔任（rèn）OL，AOM，OE，等雜誌的審稿人。