俗話說，“沒（méi）有（yǒu）金剛鑽，不攬瓷器活”，很直觀地（dì）反應了自（zì）古以來人們對金剛石的印象——高硬度！作為自然界中硬度最高的材料，它不僅僅是精美貴重的寶石，還是（shì）一種應用廣泛的工（gōng）業原材料（liào）……

金剛石及其製品廣泛用於（yú）機械加工的磨料、工具以及耐磨器件等。因此金剛石又被譽為“工業牙齒”，它幾乎可以啃得動任何材料！由（yóu）於金剛（gāng）石材料（liào）還兼具高熱傳導率（lǜ）、高耐磨性、寬帶透明性等（děng）功能性質，也是製作各種耐磨、耐高溫、耐（nài）腐蝕、耐輻射元器件的首選材料，被廣泛（fàn）地應（yīng）用（yòng）於航空航天、原子能反應堆、高功率（lǜ）激光器、半導體等（děng）領域的惡劣和極端的（de）工作環境。隨著工業領域（yù）對功能金剛石需求的不斷增長，人工合成技術的日趨成熟，金剛石材料的（de）價格逐步降低，這也為其大規模應用創造了可能。

圖1：金剛石的性能與應用

然而（ér），由於其超高的（de）硬度和穩定的物（wù）理化學性能，當需要對這種“工業（yè）牙齒”加工（gōng）處理時，誰來攬金剛鑽呢？

尤其是針（zhēn）對微小（xiǎo）的結構，金剛石由於其較高的硬度和（hé）較低（dī）的塑性，其加工一直是（shì）一個很大的技術挑戰。傳（chuán）統的機械加工等方式難以達到預期的加（jiā）工精度和表麵粗糙度，比較適合於大麵積的表麵加工，無法滿足功能性元器（qì）件（jiàn）越來越小型化、精密化的發展趨勢和要求。

激光技術的（de）發（fā）展提供了（le）一種先進、低成本的加工手段。然而，目前國內（nèi）外所報道的激光直接加工金剛石所（suǒ）獲得的表麵質量（liàng）仍然較差，粗糙度Ra大多停留在100 nm左右，離金剛石微結（jié）構器件的需求相差甚遠。開發工藝簡單的激光加工（gōng）技術（shù），實現金剛石材料的高質量、光學量級的精密加（jiā）工，將在未來金剛石（shí）材料的大規模應用中發揮重要的作用。

硬脆難加工材料的激光加（jiā）工

要實現玻璃、陶瓷、矽、藍寶石和（hé）金剛石這類高硬度、脆性（xìng）材料的（de）高質量（liàng）激光加工（gōng），一個重要的因素是需要有效控製熱效（xiào）應的影響。由於金剛石硬度最高，金（jīn）剛石的加工依賴於聚焦離子束和激光束加工，而激光憑借極高的峰值功率、精確的損（sǔn）傷閾值（zhí）、極小的熱影響區、高的加工精度，以及適合於各種難（nán）加工超硬材料的特點，成為科研人員（yuán）關注的焦點。

特別是近年來超快光學和光纖激光器的迅速發展，使得激光（guāng）加工技術在激（jī）光（guāng）器輸出功率、加工精度及工藝參數等（děng）方麵均得到了完善和提升。受限於成本等因素，目前脈寬在微秒、納（nà）秒量級的長脈寬激光器在工業加工中仍占據主流地位（wèi），但以熱（rè）去除為作用機理的加工（gōng）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（chǐ）度（dù）精細加工（gōng）的應用場景。

圖2：激光加（jiā）工的優（yōu）勢

研究（jiū）表明，加工所（suǒ）用激光的脈衝寬度越（yuè）窄、峰值功率密度越（yuè）大，越能夠有效減（jiǎn）小（xiǎo）加工中熱影響區及重鑄層的形成。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秒至皮秒之間，對於大部分材料，當激（jī）光的（de）脈寬大於10-12s時，材料的（de）溫度達到一定程度時，開始出現熔（róng）化、氣化等物理現象。當激光的（de）脈寬達到皮（pí）秒、飛秒量級時，整個激光作用過程時間極短，材料的溫度瞬時達到峰值，沒來得及熔化就直接轉化為等離子狀態，加工過程將幾乎沒有熱量被自由電（diàn）子傳導（dǎo）至加工（gōng）區域的周（zhōu）圍，實現材料去除，因此飛秒激光的加工過程中（zhōng）沒有明（míng）顯的熔渣和碎（suì）屑，加（jiā）工質量高，實現幾乎無熱影響區的“冷加工（gōng）”。

利用超快激光“冷加工”的特（tè）性，可應用在各種材料的精（jīng）細加工（gōng）中，包括金（jīn）屬、玻璃、藍寶石、半導體、塑料等，加工方式涵蓋（gài）了打孔（kǒng）、切割、選擇性去除、微結構製備等，特別是近年來高端3C製造業對於加（jiā）工工藝要求的不斷提升，使激光加工在（zài）消（xiāo）費電子觸摸屏模組生產（chǎn）、半導體晶圓劃片切割、柔性太陽能薄膜電池加工、硬脆性材料打孔（kǒng）、切割等領域展現出全（quán）新的應用前景。

01微孔加工

微孔加工特別是（shì）深微（wēi）孔加（jiā）工一直（zhí）是航空航天、新能源、生物（wù）醫療等高端製造領域中的關鍵技術。激光打孔技術具有精度高、通用（yòng）性強、效率高、成木低和綜合技術經濟效益顯著等優點，已成為現代製造領域的關鍵技術之一，為微孔加工（gōng）提（tí）供了先（xiān）進的加工手段（duàn）。國內目（mù）前比較成熟的激光打孔的應用是（shì）在金剛石和天然金剛石拉扮模（mó）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（bǎn）等行業。

圖3：微孔加工與金剛石器件應用

02 激光打標（biāo）

激（jī）光標記機的市場（chǎng）是近幾年發展最快的一項應用技術。激光標記是利用高能量密度的激光對工件進行局部照射，使表層材料汽化或發生顏色變化的化（huà）學應，從（cóng）而留下（xià）永久性標記的一種技術。由於有多種特點，所以應用越來越（yuè）廣泛，特別是多種電子器件、集成電路模塊（kuài）、汽車（chē）零（líng）件甚至汽車窗玻璃（lí）、醫療器械、精密儀器儀（yí）表、線路板、橡膠 製品（pǐn）、計算機鍵盤、手機麵板、精美禮品、玻璃製品等等。

03 激光切割（gē）、劃（huá）線

激（jī）光在切割、劃線（xiàn）中是激光微細加工中最（zuì）為廣泛的應用之一，隨著激光器功率和光束質量的不斷提高（gāo）以及數控機床、掃描振鏡等配套技術的不斷完善，激光在加工（gōng）精度和效率方麵（miàn）均得到大幅（fú）提升，拓展了工業高精細（xì）度切割劃的應用範（fàn）圍（wéi）。激光切割主要利用激光束的高功率密度的性質。激光束聚焦很小的光點，擁有巨大的能量，可將材料快速加熱，使其達（dá）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（zài）材料表麵形成切縫（féng）激（jī）光切割技術可廣泛應用於（yú）金屬（shǔ）和非金屬（shǔ）材料的加工中，可（kě）大大減少加工時間，降低加工成本，提（tí）高工件質量（liàng）。同時，在（zài）玻（bō）璃、藍寶石、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激光的吸收率存在差異，將（jiāng）不同波長和脈寬的激（jī）光應用在金（jīn）剛石微細加工中是一直以（yǐ）來的研究（jiū）重點，同時，由（yóu）於其高硬脆特性，加工難（nán）度大，尤（yóu）其對金剛石晶體進（jìn）行高質量、低損耗的加工是一（yī）個難題，傳統加工方式主要為機械（xiè）加工、超聲落料和化學刻蝕等（děng）。

圖4：激光加工的應用

目前，激光切割（gē）主要應用在航空航天工業和（hé）汽車製造業中，如飛機框架、飛機主旋翼（yì）、汽車車架等切割（gē）。另外，在消費電子產品領域顯然（rán）提供了最多（duō）的證據。手機（jī）、微處理器、顯示器、內存芯片都是極其複（fù）雜的組件，由大量的不同材料、尺寸很小、厚度極小的多層材料組成。因而需要先進的（de）、高（gāo）精密度的加工能力，以及在經濟上（shàng）可行的大批量（liàng）生產的能力。同步發展加工、激光技術以及新的光（guāng）束傳輸技術，來（lái）滿足目前以及未來可能出現（xiàn）的挑戰。

飛秒激光誘導金剛石微納結構

另（lìng）外（wài），由（yóu）於金剛石出（chū）色的性能及其色心體係對於量子科學超靈敏探測（cè）領域的深遠意義，近年（nián）來，國內外眾多高校與頭（tóu）部企業競相開展金剛石內部微納加工的理論（lùn）和實驗研究。

針對微結構的加（jiā）工，當前多采用光刻技術來（lái）實現。但光刻工藝流程較為（wéi）複（fù）雜，成本較高，且無法直接用於材料三（sān）維和內部結構的製備。超快激光的獨特特性使（shǐ）材料加工發生了迅速革（gé）命性的變化，成為有效（xiào）途徑。

01“激”發金剛石無限潛能

多（duō）年來，矽和鍺一直被（bèi）認為是合適製造探測器和集成光電器件的半導體材料然而，與金剛石基器件相比，這（zhè）種四價半導體的抗輻射損（sǔn）傷能力較差（chà），而且（qiě）在惡劣條件或高強光輻照下，器件的穩定（dìng）性較差近年來，金剛石因（yīn）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（xué）等（děng）領域展現了巨（jù）大（dà）的應用前景

圖5：金剛石結構（gòu）

在（zài）金剛石晶體中，碳原子以sp3雜化軌道與（yǔ）另（lìng）外四個碳原子形成共價鍵，構成（chéng）四麵（miàn）體，所有價電子都參（cān）與了共價鍵的形成金剛石不僅（jǐn）硬度大熔點高高度透明，而且不導電金剛石廣泛應用於電子器械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展，金剛石由於其出色的光電性能化（huà）學穩定（dìng）性以及（jí）可在室溫下（xià）通過光學和磁共振（zhèn）方法實現自旋極化和調控的特性，有望應（yīng）用於固態量子係統中進行如（rú）磁場電場應（yīng）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精度機械傳感（gǎn）方麵，由於其高導熱性而具有低熱彈性損耗，使得機械諧振器在高頻率下工作而不受顯著阻尼的影響

此外，金剛石提供（gòng）的光學（xué）透明度是（shì）自然形成的材料（liào）中最寬的（de），從UV區域(~225 nm)延伸到太赫茲(THz)頻率，甚至微（wēi）波區域(~8000 μm)，在這些波段具有低群（qún）速度色散，因此適用於製備集成（chéng）光子（zǐ）學器件

圖6：金剛石NV色心

近年來對金剛石光學活性缺陷中心的研究（jiū）表明，在金剛（gāng）石中有 500 種以上色心，它們的發射波長覆蓋紫外到近紅外波段，色心表現出高度穩定的單（dān）光子（zǐ）熒光並提供一個可控的相幹電子自旋，且（qiě）具有長期（qī）的穩定性（xìng）和低聲子（zǐ）態密度從（cóng）而導致低的電子-聲子耦合而且金剛石的德拜溫度極高，這使得其聲子誘導的相位變化概率很低因此，金剛石色心已經成為不需要在低溫條件下操作的固態單光子發射器的唯一候選

02金（jīn）剛石微納結構加工

然而在實際應用中，由於金剛石材（cái）料本身的超高（gāo）硬度高折射率和低電導率等特點，利用常規方法（fǎ）很難在合適的位置精確形成設計的微納結構

要利用金剛石（shí）進行光子器件和探測器的製造，例如在金剛石內部直寫（xiě）石墨導電回路等三維微納結構以及圖（tú）案化金剛石色心，發展一種高效可控（kòng）的在其（qí）內部製備微納米結構的方法是（shì）必須的

最近，有研究利用（yòng）各向異性的等離子體斜角度蝕（shí）刻金剛石，這種角（jiǎo）度蝕刻方法可在大塊單晶金剛石表麵製造獨立的（de）納米尺度組件，包括納米機械諧振器 光波導光子晶體和（hé）微盤腔等但與其他方法一樣，其製備的幾何結構僅限於在金剛石表麵

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（jīn）剛石內部任意位置精確誘導色心，限製了色心與（yǔ）微納光學結構（gòu）集成的空間自（zì）由度離子注入法以唯（wéi）一（yī）能（néng）實現指定位置亞微米級精度色心分布（bù）的方（fāng）法被廣泛研究，但（dàn）受電子束能量和金剛石表麵損傷閾值的限製，這種方法隻適合在金剛石表麵（miàn）和較淺層位置誘導色心，且（qiě）後續（xù）熱處理工序會對金剛石內微納結構的光學性能帶來負麵影（yǐng）響。

03飛秒（miǎo）激光誘導金剛石色心

相對而言，飛秒激光直寫技術對材料（liào）的加工基於多光子吸收等（děng）非線性過程，可在表層無損的（de）情況下聚焦到金剛石內部，並（bìng）突破衍射極限（xiàn）誘導產生高空間分辨的複雜的三維微納結構通過調整加工參數，采用飛秒激光可以（yǐ）在金剛石實現包含內部和表麵色（sè）心折射率變化（huà）微孔（kǒng）洞和微裂紋等多種微結構的精準誘導，並通過各種微結構的（de）組合製（zhì）備多種功能性光電器件，這些結構（gòu）在單光子產生光波導探測等方麵具有重要（yào）的應（yīng）用前景

利用飛秒（miǎo）激光輻照在金剛石表麵形成色心的基本原理為：當飛秒（miǎo）激光脈衝聚焦在金（jīn）剛石（shí）表麵附近，激光脈衝（chōng）具有超高的峰值功率（lǜ），在空氣中傳播時會形成強電（diàn）場，強電（diàn）場電離（lí）空氣（qì）產生大量電（diàn）子（zǐ），並加（jiā）速電子沿著激光傳播方向高速行進，高速電子轟擊金剛石晶（jīng）格可產生晶格空穴，空穴與氮（dàn）原子等雜（zá）質原（yuán）子在隨後的熱處（chù）理過程中結合產生色心

盡管飛秒（miǎo）激光直誘導金剛石微納結構的應用前景廣闊，但還亟（jí）需解決一些關鍵的科學和技術問題:其一，在飛秒激（jī）光直寫金剛石波導的過（guò）程中需要研究損耗形成的機理，開拓降低傳輸損耗和耦合損耗以及彎曲損耗的技術;其二，優化色心製備技術，精準（zhǔn）無損誘導色心的形成，降低後續熱（rè）處理對其色心性能的影響;其三，進（jìn）一步拓展飛秒激光誘導金（jīn）剛石結構在量子操控以及精（jīng）密（mì）探測等領（lǐng）域的（de）應用（yòng）

總體來說，激光加工憑借其高（gāo）效率、低能耗、高柔（róu）性等特點，已經在許（xǔ）多（duō）應用（yòng）領域裏對 傳統（tǒng）加工方式進（jìn）行替代，給全球製造業帶來了革命性的轉變。隨著激光在金（jīn）剛石（shí）工業領域滲透進程（chéng）的不斷推進，成為實現金剛（gāng）石（shí）功（gōng）能應（yīng）用的有效工具，“激”發金剛石未來應用無限可能！

行（háng）業活動（dòng）

基於此（cǐ），2021年11月18-20日，由DT新材料&中國超硬材料網聯合主辦（bàn）的第六屆國際碳材料大會暨產業展覽會——金剛石論壇將在（zài）上（shàng）海（hǎi）跨國（guó）采購（gòu）會展中心拉（lā）開帷幕。本屆（jiè）論壇設置極端製造與超精密加工論壇，特邀（yāo）廣東工業大學王成勇教授分享《超硬材料的（de）激光加工》、吉林大學田振男副教授分享《飛秒激光加工（gōng）金剛石微結構及NV色心》……，同（tóng）時設置超精密加工、激光等4個內部（bù）研討會、特色展區，圍繞半導體相關產業鏈展開，從半導體的超精密加工技術、襯（chèn）底技術、高功率器件（jiàn）與碳（tàn）基（jī）散熱解決方案、到半導體電子器件前（qián）沿應用等展開話題討論，探索金剛石應用的無限可能！

王成勇 教授、副校長

廣東工業大學

報告題目：超硬材料的（de）激光加工（gōng）

王成勇教授、博士（shì）生導師、現任廣東工業大學副校長。1989年（nián）獲大連理工大學博士學（xué）位，曾先後在德國、俄羅斯、澳大利亞等地（dì）進行學術訪問。自1983年以來，長期從事金剛（gāng）石、聚晶金剛石等超硬（yìng）材料工（gōng）具加工（gōng）理論、設計、製造及應用技術研究。長期擔任《金（jīn）剛石磨料磨具工程》 雜誌副主任編委，廣（guǎng）東省超硬精密工具工程技（jì）術研（yán）究（jiū）中心副主任（校（xiào）企聯合），現為教（jiāo）育部高等學校機（jī）械類專業（yè）教學指導委員會委員（yuán）、廣東省本科高校機械類專業教學指導委員會（huì）主任委員，廣東省高校現代加工技術與（yǔ）設計重點（diǎn）實驗室主任（rèn）、廣東省機械工程學會副理事長、廣東（dōng）省機械模具科技促進協會（huì）專家（jiā）委員會主任，全國（guó）光輻射安全（quán）和激光設備標準化技（jì）術委員會激（jī）光材料加工和（hé）激光設備分技術委員（yuán）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，廣東聯合基金重點項目2項）；已授權發明專（zhuān）利63項；已發表SCI論文90餘篇。獲（huò）國家科（kē）技進步二（èr）等獎（2019）、中國機（jī）械工（gōng）業科學技（jì）術獎一等獎（2018）和廣東省科（kē）學技術一等（děng）獎（2014）各1項；獲廣東省高等學校教學名師（shī）獎（2009），享受（shòu）國務院政府特殊津貼。

田振男副教授

吉林大學電子科（kē）學與工程學（xué）院

報告題目：飛秒激光加工金剛石微結構及NV色心

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

到目前為止，在飛秒激光直（zhí）寫微光學元件/三維光子集成器件製備與調（diào）控領域發表SCI論文（wén）30餘（yú）篇，申請國家發明專利5項。作為項目負責人主持國家自然科學基金項目1項，博士後麵上項（xiàng）目1項；作為主要參加人參與國家重大（dà）科研儀（yí）器研製項目1項，國（guó）家重大項目1項（xiàng）。擔任OL，AOM，OE，等（děng）雜誌的（de）審稿人。