俗話說，“沒（méi）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！作為自然界中硬度最高的材（cái）料，它不僅僅是精美貴重的寶石，還是一種應用廣泛的工業原材料……

金（jīn）剛石及其製品廣泛（fàn）用於機械加工的磨料、工具以（yǐ）及耐磨器件等。因此金剛石（shí）又被譽為“工（gōng）業牙齒”，它幾乎可以啃得動任何材料！由於金剛石材料（liào）還兼具高熱（rè）傳導率（lǜ）、高耐磨性、寬帶（dài）透明性等（děng）功能性（xìng）質，也是製作各種耐磨（mó）、耐高溫、耐腐蝕、耐輻射元器（qì）件的首選材料，被廣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（de）惡劣和極端的工作環境。隨著工業領域對功能（néng）金（jīn）剛石需求的不斷增長，人工合成（chéng）技術（shù）的日趨成熟，金剛石材料的價格逐步降低，這也為其大規模應（yīng）用創造了可（kě）能。

圖1：金剛（gāng）石的（de）性（xìng）能（néng）與應用

然而，由於其超高（gāo）的硬度和穩定的物理化學性能，當需要對這種“工業牙齒”加工處理時，誰來攬金剛（gāng）鑽（zuàn）呢？

尤其（qí）是針對微小的結構，金剛石（shí）由（yóu）於其較高的硬度和（hé）較低的塑性，其加工一直（zhí）是一個很大的技術挑戰。傳統的機械（xiè）加工等方式難以（yǐ）達到預期的加工精度和表麵（miàn）粗（cū）糙度，比較適合於大麵（miàn）積的表麵（miàn）加（jiā）工，無法滿足功能（néng）性元器件越來（lái）越小（xiǎo）型化、精密化的（de）發展（zhǎn）趨勢和要求。

激光技術的發展提（tí）供了一種（zhǒng）先進、低成本的加工手段。然而（ér），目前國內外所報道的激光（guāng）直接加工金剛石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（yuǎn）。開發工藝簡單的激光加工技術，實（shí）現金剛石材料的高質（zhì）量、光學量級的精密加工，將在未來金剛石材料（liào）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（gōng）

要實現玻璃、陶瓷、矽、藍寶石和金剛（gāng）石這類高硬度、脆性材料的高質量激光加工，一個重要（yào）的因素是需要有效控製熱效應的影響。由於金剛石硬度最高，金剛石的加工依賴於聚（jù）焦（jiāo）離子束和激光（guāng）束加工，而激光憑借極高的峰（fēng）值（zhí）功率、精確的損傷（shāng）閾值、極小的熱影響區、高的（de）加工精度，以及適合於各種難加（jiā）工超硬材料（liào）的特點，成為科研人員關（guān）注的焦點。

特別是近年來超快光（guāng）學（xué）和光纖激光器的迅速（sù）發展（zhǎn），使得激光加工技術在激光器輸出功率、加工精度及工藝參數等方麵均得到（dào）了完（wán）善和提升。受限（xiàn）於成本（běn）等因（yīn）素，目前脈寬在微秒、納秒（miǎo）量級的長脈寬激光器（qì）在工業加工中仍（réng）占據主流地位，但以熱去除為（wéi）作用機理的加工方（fāng）式會產生熱影響區，存在材料頻繁重鑄、表麵塗層開裂（liè）等問題，無法滿足微納尺度精細加工的應用場（chǎng）景。

圖2：激光加工的（de）優勢

研究表明，加工所用（yòng）激光的脈衝寬度越窄、峰值功率密度越（yuè）大，越能夠有效減小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（zǐ）與離子間的能（néng）量弛豫時間在微秒至皮秒之間，對於大部分材料，當激光（guāng）的脈寬大於10-12s時，材料的溫度達到一定程度時，開始出現熔化、氣化等物理現象。當激光（guāng）的脈寬達到皮秒、飛秒量級時，整個激光作用（yòng）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（tài），加工過程將幾乎沒有熱量被自由電子傳導至加工區域的周圍，實現材料去除，因此飛秒激光的加工過（guò）程中沒有明顯的熔渣和碎屑，加工質量高，實現幾乎無熱影（yǐng）響區（qū）的“冷加工”。

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，包括金（jīn）屬、玻璃、藍寶石、半導體、塑料等，加工方式涵蓋了打孔、切（qiē）割、選擇性去除、微結構製備等，特別是近年來高（gāo）端3C製造業對（duì）於加工工（gōng）藝要求的不斷提升（shēng），使激光加工（gōng）在消費電子觸摸屏模組生（shēng）產、半導體晶圓劃片切割、柔性太陽能薄膜電（diàn）池加工、硬脆（cuì）性材料打孔、切割等領域展現出全新的應用（yòng）前（qián）景。

01微孔加工

微孔加工特別是深（shēn）微（wēi）孔加工（gōng）一直（zhí）是航空航天、新能源、生物醫療等高端製造領域中的關鍵技（jì）術。激光打孔技術具有精度高、通用（yòng）性強、效率（lǜ）高、成（chéng）木低和綜（zōng）合技術經濟（jì）效益顯著等優點，已成為現代製造領域的關鍵技術之一，為微孔加工提供了先進的加工手段。國內目前比較成熟的激光打孔的應用是在金剛石和（hé）天然金剛石拉扮模的生產及鍾表和儀表的寶（bǎo）石（shí）軸承、吃機葉片、多層印刷線路板等行（háng）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（chǎng）是近幾年發（fā）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（jìn）行局（jú）部照（zhào）射，使表層材（cái）料汽化或發生顏色變化的化學應，從而留下永久性（xìng）標記的（de）一種技術。由於有多種特點，所以應用越來越廣泛，特別是多種電子器件、集成電路模塊、汽車零件甚至汽車（chē）窗玻璃、醫療（liáo）器械、精密儀器儀表、線路板、橡膠 製品、計算（suàn）機鍵盤、手機麵板、精美禮品（pǐn）、玻璃製品等等。

03 激光切割、劃線

激（jī）光在切（qiē）割、劃線中（zhōng）是激光微（wēi）細加工中最為廣泛的應用（yòng）之一，隨著激光（guāng）器（qì）功率和光束質量（liàng）的不斷提高以（yǐ）及數控機床、掃描振鏡等配套技術的不斷完善，激光在加（jiā）工精度和效率方麵均得到大幅提（tí）升，拓展（zhǎn）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。激光束聚焦很小的光點，擁有巨大的能量，可將（jiāng）材料快（kuài）速加熱，使其達到沸點後開始汽化，形成了空洞，再使光束與（yǔ）材料相對運動，在（zài）材料表麵形成切縫激光切割技術可廣泛應用於（yú）金屬和非金屬材料（liào）的加工中，可大（dà）大減少加工時間，降低加工成本，提高工件質量。同時，在玻璃、藍寶石、金剛（gāng）石等（děng）硬脆透明材（cái）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，將不同波長和脈寬的（de）激（jī）光（guāng）應用在金剛石微細加工中是一直以來的研究（jiū）重點，同時，由（yóu）於其高硬脆特性，加工難（nán）度大，尤其對金剛石晶體進行高質量、低損耗的加工是一個難題，傳統加工方式主要為機械加（jiā）工、超聲落料和化學刻蝕等。

圖4：激光加工的應用

目前，激光切割主要應用在航空航天工業和汽車製造（zào）業中，如飛機（jī）框架（jià）、飛機主旋翼、汽車車架等切割。另外，在（zài）消（xiāo）費電（diàn）子產品領域顯然提供了（le）最多的證據。手機、微處理器、顯示器、內存芯片都是極其複雜的組件（jiàn），由大量的不（bú）同（tóng）材料、尺寸很小、厚度極小的多層材料組成（chéng）。因而需要先進的、高精密度的加工能力，以及在經濟上可（kě）行的（de）大批量生產的能力。同步發展加工、激光技術以及新的光束傳輸技術，來滿足目前以及未來可能出（chū）現的挑戰。

飛秒激光誘導金剛石微納結構

另（lìng）外，由於金剛石出色的性能及（jí）其色心體係對於量子科學超靈敏探測領域的深遠（yuǎn）意義，近年來，國（guó）內外眾多高校與頭部企（qǐ）業競相開展金剛石內部（bù）微納加工的理論和實驗研究。

針對微結構的加工，當前多采（cǎi）用光刻技術來實現。但光刻工藝（yì）流程較為複雜，成本較高，且無法直接用於材料三維（wéi）和內部結構（gòu）的製備。超快激光（guāng）的獨特特性使材料加工發生了迅速革命性的變化（huà），成（chéng）為有效途徑。

01“激”發金剛（gāng）石無限潛能

多年（nián）來，矽和鍺一直被（bèi）認（rèn）為是合適（shì）製造探（tàn）測器和（hé）集成光電器件的半導體材（cái）料然而，與金剛石基器件相比，這種四（sì）價半導體的抗輻射損（sǔn）傷能（néng）力較差，而且在惡劣條件或高強光輻照下，器件的（de）穩定性（xìng）較（jiào）差近年來，金剛石（shí）因其優異的光學與力學性能，在集（jí）成光子學傳感（gǎn）和（hé）量子光學等領域展現了巨大的（de）應用前景

圖5：金剛石（shí）結構

在金剛石（shí）晶體中，碳原（yuán）子以sp3雜化軌道與另外四個碳原子形成共價鍵（jiàn），構成（chéng）四麵體，所有價電子（zǐ）都參與了共價鍵的形成金剛（gāng）石（shí）不僅硬度大熔點高高度透明，而且不導電金剛石廣泛應用於電（diàn）子器械機械加（jiā）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（gāng）石由於其出（chū）色的光（guāng）電（diàn）性能化學穩（wěn）定性以及可（kě）在室溫下通（tōng）過光學和磁共振（zhèn）方法實現自旋極化和調（diào）控的特（tè）性，有望（wàng）應用於固態量子係統（tǒng）中進行如磁場電場應力壓強溫度（dù）以及核自旋等微小物理（lǐ）信號的靈（líng）敏探測在高精度機械傳感方（fāng）麵，由於（yú）其高導（dǎo）熱性而具有低熱彈性損耗，使得機械（xiè）諧振器在高頻率下工作而不（bú）受顯著（zhe）阻尼的影響

此外，金剛石提供的光學透明（míng）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）微波區域（yù）(~8000 μm)，在這些波段（duàn）具（jù）有低群速度色散，因此適用於製備（bèi）集成光子學器件

圖6：金剛石NV色心

近（jìn）年來（lái）對金剛石（shí）光學活性（xìng）缺陷中心的研究表明，在金剛（gāng）石中有（yǒu） 500 種以上色心，它們的發射波長覆（fù）蓋紫外到近紅外波段，色心表現出高度穩（wěn）定的單光子（zǐ）熒光並提供一個可（kě）控的相幹電子自旋，且具有長期的穩定性和（hé）低聲子態密度從而（ér）導致低的電子-聲子耦合而且金剛石的德（dé）拜溫（wēn）度極高，這（zhè）使得其（qí）聲子誘導的相位變化概率很低因此，金剛石色（sè）心已經成為不需要在低溫條件下操作的固態（tài）單光子發射器的唯一候選

02金剛石微（wēi）納結構加工

然（rán）而在實際應（yīng）用中，由於金剛石材料本身的超高硬（yìng）度高折射率（lǜ）和低電導率等特點，利用常規方法很難在合適的位置精確形（xíng）成設計的微納結構

要利用金剛石進行光（guāng）子器件和探測器的製造，例如在金剛石（shí）內部直寫石墨導電回路（lù）等三維（wéi）微納結構以及圖案化（huà）金剛石色心，發展一種高（gāo）效可控的在其內部製備微納米結構（gòu）的（de）方法是（shì）必須的

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

另（lìng）外，傳統的高能射線輻照等（děng）色心製備方法很難實現在金剛（gāng）石內部（bù）任意位置精確誘導色心，限製了色心與微納光學結構集成的空（kōng）間自由（yóu）度離子注入法以（yǐ）唯一能實現指定位置亞微米級精度色心（xīn）分布的方法被廣泛研究（jiū），但受電子束能量和金剛石表麵損傷（shāng）閾值的限製，這種方法隻適合在（zài）金剛石表麵和較淺層位置誘導色心，且後續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響。

03飛秒激光誘導金剛石色心

相對而言，飛秒激光直寫技術對材料的加工基於多（duō）光子吸收（shōu）等非線性過程，可在表層無損的情況下聚焦到金剛石內部，並突（tū）破衍射（shè）極限誘（yòu）導產生（shēng）高空（kōng）間分辨的複雜的三維微納結構通過調整加工參數（shù），采用飛秒激光可以在金（jīn）剛石（shí）實現包含內部和表麵色心折射（shè）率變化微孔洞和（hé）微裂紋等多種微結構的（de）精（jīng）準（zhǔn）誘導，並通過各種微結構（gòu）的（de）組合（hé）製備（bèi）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的應用前景

利（lì）用飛秒激光輻照在金剛石表麵形成色心的基本原（yuán）理為：當飛秒激光脈衝（chōng）聚焦在金（jīn）剛石表麵附近，激（jī）光脈衝具有超高的峰（fēng）值功率，在空氣（qì）中傳播時會形（xíng）成強電場，強電場電離空（kōng）氣產生大量電子，並加速電子沿（yán）著激光傳播方向高速行進，高速電子轟（hōng）擊金剛石晶（jīng）格可產生晶格空穴，空穴與氮原子等雜質原（yuán）子在隨後（hòu）的熱處（chù）理過程中結（jié）合產生色心

盡管飛秒激光直誘導金剛石微納結構的應用前景廣闊，但還亟需解決一些關鍵的科學（xué）和技術問題（tí）:其一，在飛秒激光直寫金剛石波（bō）導的過程中需要研究（jiū）損耗形成的機理，開拓（tuò）降低傳輸損耗和耦合損耗（hào）以及彎曲損耗（hào）的（de）技（jì）術;其二，優化色心製（zhì）備（bèi）技術，精準無（wú）損誘導色心（xīn）的形成，降低後續熱（rè）處理對其色心性能的影響;其三（sān），進一步（bù）拓展飛秒激（jī）光誘導金剛石結構在量子操控以及精密（mì）探測等領域的應用

總體（tǐ）來說，激光加工憑借（jiè）其高效率、低（dī）能耗、高柔（róu）性等特點，已經在（zài）許（xǔ）多應用領域裏對 傳統加工方（fāng）式（shì）進行替代，給全球製造業帶來了革（gé）命性的轉變。隨（suí）著（zhe）激光在金剛石工業領域滲（shèn）透進程的不斷推進，成為實現金剛石功能應用的有效工具，“激”發金剛（gāng）石未來應（yīng）用無限可能！

行業活動

基於此，2021年11月18-20日（rì），由DT新材料&中國超硬材料網聯合（hé）主辦的第六屆國際（jì）碳材料大會暨產業展覽（lǎn）會——金（jīn）剛石論壇（tán）將在上海跨國（guó）采購會展中心拉開帷幕。本屆論壇設置極端製造與（yǔ）超精密加工（gōng）論壇，特邀廣東工業大學王（wáng）成勇教授分享《超硬材（cái）料的激光加工》、吉林（lín）大學（xué）田振男副教授分享《飛（fēi）秒激光加工金剛石（shí）微（wēi）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、特色展（zhǎn）區，圍繞半導（dǎo）體相關產業鏈展開，從半導體的超精密加工技術、襯底技術（shù）、高功率器件與碳（tàn）基散熱解決方案、到半導體電（diàn）子器件前沿應（yīng）用等（děng）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：超硬材料的激光加工

王成勇教授、博士（shì）生（shēng）導師、現任廣東工業大學副校長。1989年獲大連理工大學博士學位，曾先後在德國、俄羅斯、澳大利亞（yà）等地進行學術訪問。自1983年以（yǐ）來，長期從事金剛石、聚晶金剛石等（děng）超硬材料工具加工理論（lùn）、設計、製造及應用（yòng）技術研究。長期擔任《金剛（gāng）石磨料磨具工程》 雜誌副主任編委，廣東省超硬精密工具工程技術研究中心副主（zhǔ）任（校企聯合），現為教育部高等學校（xiào）機械類專業教學指導委員會委員、廣東省本（běn）科高校（xiào）機械類專業（yè）教學指導委員會主任委員（yuán），廣東省高校現（xiàn）代（dài）加工技術（shù）與設計重點實驗室主任、廣東省機械工程學會副理事長、廣東省機械模具科技促進協會專（zhuān）家委員會主任，全國光輻射安全（quán）和激光設備標（biāo）準（zhǔn）化技（jì）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（jiā）自然科學基金項目12項（含重點項目1項，廣（guǎng）東聯合基金重點項目2項）；已授（shòu）權發明專利63項；已發表SCI論文90餘篇。獲國家科技進步二（èr）等獎（2019）、中（zhōng）國機（jī）械工業（yè）科（kē）學技術獎一等獎（jiǎng）（2018）和廣東省科學技（jì）術一等獎（2014）各1項（xiàng）；獲廣東省高等學校教學名師獎（jiǎng）（2009），享（xiǎng）受國務院政（zhèng）府特（tè）殊（shū）津貼（tiē）。

田振男副教（jiāo）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（gāng）石微結構及NV色心

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

到目前為止（zhǐ），在飛秒激光直（zhí）寫微光學（xué）元（yuán）件（jiàn）/三（sān）維光子集成器件製備與調控領域發表SCI論文30餘篇，申請國家發明專利5項。作為項目負責人主（zhǔ）持國家自然科學（xué）基金項目1項，博士後麵上項目1項；作（zuò）為主要參加人參與國家重大科研（yán）儀器研製項目1項，國家重（chóng）大項目1項。擔任（rèn）OL，AOM，OE，等雜誌的審稿人。