俗話說，“沒有金剛（gāng）鑽，不攬瓷器（qì）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（rán）界（jiè）中硬（yìng）度最高的材（cái）料，它不僅僅是精美貴重（chóng）的寶石，還是一種應用廣泛的（de）工業原材料……

金剛石及其製品廣泛用於機（jī）械加工的磨料、工具以（yǐ）及耐磨器件等。因（yīn）此（cǐ）金剛石又被譽為“工業牙齒”，它幾乎可（kě）以啃得動任（rèn）何材料（liào）！由於金剛石材料還兼具高熱傳導率、高（gāo）耐磨（mó）性、寬帶透明（míng）性等功能性質（zhì），也是製作各種耐磨、耐高溫、耐腐（fǔ）蝕、耐輻射元器件的首（shǒu）選材料，被廣泛地應（yīng）用於（yú）航空航天、原子能反應（yīng）堆、高功率激光器、半導體等領域的惡（è）劣和極端的工作環境。隨（suí）著工業領域對功能金剛石需（xū）求的不斷增長，人工合成技術的日趨成熟，金剛石材料的價格逐步降低，這也為其大規模應用創造了可（kě）能。

圖1：金剛石的性能與應（yīng）用

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

尤其（qí）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（xìng），其加工（gōng）一直是一（yī）個很大的技術挑戰（zhàn）。傳統的（de）機械加工等方式難以達到預（yù）期的加工（gōng）精度和表麵粗糙度，比較適合於大麵（miàn）積的表麵（miàn）加工，無法滿足功能性元器件越來越小型化、精密化的發展趨勢和要求。

激光（guāng）技術（shù）的發展提供了一種（zhǒng）先（xiān）進、低成（chéng）本（běn）的加工手段（duàn）。然而，目前國內外所報道的激光直接加（jiā）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（zài）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（jiǎn）單（dān）的激光加（jiā）工技術，實現金剛石材（cái）料的（de）高質（zhì）量、光學量級的精密加工，將在未（wèi）來（lái）金剛石材料的大規模應（yīng）用中（zhōng）發揮重要的作用（yòng）。

硬脆難加工材料的激光加（jiā）工

要實現玻璃、陶瓷、矽、藍寶石和金剛石這（zhè）類高硬度、脆性材料的高質量激光加工，一（yī）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，金剛石的加工依賴於聚焦離子束和激光束（shù）加工，而激（jī）光憑借極高的峰值功率、精確的損傷閾值、極小的熱影（yǐng）響區（qū）、高的加工精度（dù），以及適合於各種難加工（gōng）超（chāo）硬材料的特點，成為科研人員關注的焦點。

特別是近年來超快光學和光纖（xiān）激光器的迅速發展，使得激光加（jiā）工（gōng）技術（shù）在激光器（qì）輸出功率、加工精度及工藝參數等方麵均得到了完善（shàn）和提升。受（shòu）限於（yú）成本等因素，目（mù）前（qián）脈寬在微秒、納秒（miǎo）量級的（de）長脈寬激光（guāng）器在工業加工（gōng）中仍占據主流地位，但以熱去除為作用機理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（liè）等問題，無法滿（mǎn）足微納尺度精細加工的應用場景。

圖2：激光加工的優勢

研究表明（míng），加工所用激光的脈衝寬度越窄、峰值功率密度越大，越能夠有效減小加工中熱影響區及重鑄（zhù）層的形成。不同晶體結構（gòu）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，當激光的脈寬大於10-12s時（shí），材料的（de）溫度達到一定程度（dù）時，開始出現熔（róng）化（huà）、氣化等物理現象（xiàng）。當激（jī）光的脈寬（kuān）達到皮秒、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（dá）到峰值，沒來（lái）得及熔化就直接轉化（huà）為等離子狀態，加工過程將幾乎沒有熱量被自由電子傳導至加工區域的（de）周圍（wéi），實現（xiàn）材料去除，因此飛秒激光的加工過程中沒有明顯的熔渣和碎屑，加工質量高（gāo），實現幾乎無（wú）熱影（yǐng）響區的“冷加工”。

利用（yòng）超快激光“冷加工”的特性，可應用在各種材料的精細加工中，包括金屬（shǔ）、玻璃、藍寶石、半導體、塑料等，加（jiā）工方式涵蓋了打孔、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（duì）於加工工藝要求的不斷提升，使激光加工在消費電子（zǐ）觸摸屏（píng）模組生產、半導（dǎo）體晶圓（yuán）劃片切割、柔性太陽能薄膜電池加工、硬脆（cuì）性材料打孔、切（qiē）割等領域展現出全新的應用前景。

01微孔加（jiā）工

微孔加工特（tè）別是深微孔加工一直（zhí）是航空航天、新（xīn）能源、生物醫療等高端製造領（lǐng）域中的關（guān）鍵技術。激光打孔技術具有精度（dù）高、通用性（xìng）強、效率高、成木低和（hé）綜合技術經（jīng）濟效益顯著等優點，已成為現代製造領（lǐng）域的關鍵技（jì）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（lā）扮模的生產（chǎn）及鍾表和儀（yí）表的寶（bǎo）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（qì）件應（yīng）用

02 激光打標

激（jī）光標記機（jī）的市場是近幾（jǐ）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（yán）色變化的化學應（yīng），從而留下（xià）永久性標記的一種技術。由於有多種（zhǒng）特（tè）點，所以應（yīng）用越（yuè）來越廣（guǎng）泛，特別是多種電子器件、集成電路模塊、汽車零件甚至汽車窗玻璃、醫療器械、精密儀（yí）器儀表、線路板、橡膠 製品、計算機鍵盤、手機麵板、精美禮（lǐ）品、玻璃製品等等。

03 激光切割、劃線（xiàn）

激光在（zài）切割、劃線（xiàn）中是激光微細加工中最為廣泛的應用（yòng）之（zhī）一，隨（suí）著激光器功率和光束質量的不斷提高以及數控機床、掃（sǎo）描振鏡等配套技術的不斷完善，激光在加工精度和效率方（fāng）麵（miàn）均得到大（dà）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（zhǔ）要利用激光束的高功率密度的性質（zhì）。激光束聚（jù）焦很小的光點，擁有（yǒu）巨大的能（néng）量（liàng），可（kě）將（jiāng）材料（liào）快速（sù）加熱，使其達到沸點後開始汽化，形成了空洞，再使（shǐ）光束與材料相對運動（dòng），在材料表麵形成切縫激光切割技（jì）術可廣泛（fàn）應用於金屬和非金屬材料的加工中，可大大減少加工（gōng）時間，降低加工成本，提高工件質量。同時，在玻璃、藍寶（bǎo）石、金剛石（shí）等（děng）硬脆透明（míng）材料應用市場廣闊（kuò），由（yóu）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激光應用在金剛石微細加工中是一直以來的研究重點，同時，由於（yú）其高硬脆特性，加工難（nán）度大，尤其對金（jīn）剛（gāng）石（shí）晶體進行高質量、低損耗的加工是（shì）一個難題，傳統加工方式主要為機械加工、超聲落料和化學（xué）刻蝕等。

圖4：激光加工的應用

目前，激光切割主（zhǔ）要應用在航空航天工業和汽車製造業中，如飛（fēi）機（jī）框（kuàng）架、飛機主旋翼、汽車車架等（děng）切（qiē）割。另外，在消費電子產品領（lǐng）域顯然提供（gòng）了最多的證據（jù）。手機、微（wēi）處理器、顯示器、內存芯片都是極其複雜的組件，由大（dà）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、高精密度的（de）加工能力，以及在經濟上可行的大批量生產的能力。同步發展加工、激光（guāng）技術以及新的光束傳輸技術，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（shí）微納結構

另外，由於金剛石出色的性能及其色心體係對於量（liàng）子（zǐ）科學超靈敏探測領域的深遠意（yì）義，近年（nián）來，國內外眾多高校與頭（tóu）部（bù）企業競相開展金剛石內部微納加工的理論和實驗研究。

針對微結構（gòu）的加工，當前多采用光刻技（jì）術來實現。但光刻工藝流程較為複雜，成（chéng）本較高，且無法直接用於材料三維和內（nèi）部結構的製備。超快激光的獨特（tè）特性使（shǐ）材料加工發生了迅速革命性的變化，成為有效途徑。

01“激”發金剛石無限潛（qián）能

多年來，矽和（hé）鍺（zhě）一直被認為是合適製造（zào）探（tàn）測器（qì）和集成光電器件的半導（dǎo）體材料然而（ér），與金剛石基器件相比，這種四價半導體的抗輻射損傷能（néng）力較差，而且在惡劣條件或高（gāo）強光輻照下，器件的穩定性較差近年來，金剛石因（yīn）其優異的（de）光學與力學性能，在（zài）集（jí）成光子學傳（chuán）感（gǎn）和量子光學等（děng）領域展現了巨大的應用前景

圖5：金剛（gāng）石結構

在（zài）金剛（gāng）石（shí）晶體中，碳（tàn）原子以sp3雜化軌道與（yǔ）另外四個碳原子形成共價鍵，構成四麵體，所有價電子都參（cān）與了共價鍵的形成金剛石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子器械機械加工（gōng）石油勘探醫療等領域

隨著量子信（xìn）息科學技術的蓬勃發展，金剛石由於其出色（sè）的光電性能化學穩定性以（yǐ）及可在室溫（wēn）下（xià）通過光學和磁共振方法實現自旋極化和調控的特性，有望應用於固態量子係統中進行（háng）如磁（cí）場電（diàn）場應力壓（yā）強溫度以及核自旋等（děng）微小物理信（xìn）號的靈敏探測在高精度機械傳感方（fāng）麵，由於其高導熱（rè）性而具有低熱彈性損耗，使得機械諧振器在高頻率（lǜ）下工作而不受顯著阻尼的影響

此（cǐ）外（wài），金剛石提供的光學透明（míng）度是自然形成的材料中最（zuì）寬的，從UV區域(~225 nm)延伸到太赫茲(THz)頻率，甚（shèn）至（zhì）微波（bō）區域(~8000 μm)，在這些波段具有低群速度色（sè）散，因此適用於製備集成光（guāng）子（zǐ）學器件

圖6：金剛石NV色心

近年（nián）來對金剛石光學活性（xìng）缺陷中心的研究（jiū）表明（míng），在金剛石中有 500 種以上色心，它（tā）們的發射波長覆蓋紫外到近紅外波段，色心表現出（chū）高度穩定的單光子熒（yíng）光並提供一個可控的相幹電子自旋，且具有長期的（de）穩定性和低聲子（zǐ）態密（mì）度從而導致低的電子-聲子耦合而（ér）且金剛石（shí）的德拜溫度（dù）極高，這使得其聲子誘導的相位變化概率（lǜ）很低因此，金剛石色心已經成（chéng）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金剛石微納結構加工

然而在實際應用中，由於金剛石材料本身的（de）超高硬度高折射率和（hé）低（dī）電導率等特點，利（lì）用常規方法很難在合適的位（wèi）置精確形成設計（jì）的（de）微（wēi）納結構

要利用金剛石進行光子器件和探測器的製造，例如在金（jīn）剛石內部直寫石墨導電回路等三維微納結構以及圖案化金剛石色心，發（fā）展一種高效可控的（de）在其內部製備微納米結構的方法是必須的

最近，有（yǒu）研究利用各向異性的等離子體斜角度蝕刻金剛石，這種（zhǒng）角度（dù）蝕刻方法可（kě）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 光波導光子晶體和微盤腔等但與其他方法一樣，其製備的幾何（hé）結構僅限於在金剛石表麵

另外，傳（chuán）統（tǒng）的高能射線輻（fú）照等色（sè）心（xīn）製備方法很難實現在金剛石內（nèi）部任意位置精確誘導色心，限製了色心與微納（nà）光學結構集成的空間自由度離子注入法以（yǐ）唯一能實現指定位置亞微米級精度色心分布的方法被廣泛研究，但受電子束（shù）能（néng）量和金剛石（shí）表麵損傷（shāng）閾值的限（xiàn）製（zhì），這種方法隻適（shì）合在金剛石表麵和較淺層位置（zhì）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（xué）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（xiě）技術對材料的加工（gōng）基於多光子吸收等非線性過程（chéng），可在表層無損的情況下聚焦到金剛石（shí）內部，並突破衍射極限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（yòng）飛秒激光（guāng）可以在金剛石實現包含（hán）內部和表麵色心折射率（lǜ）變化微孔洞和微裂紋等多種微結構的精準誘導，並通過各種微（wēi）結構的組合製備多種功能性光電（diàn）器件，這些結構（gòu）在單光子產生光波導探測等方（fāng）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為：當飛秒激光脈衝（chōng）聚焦在金剛石表麵附近，激光脈衝具有超高的峰值功（gōng）率，在空（kōng）氣中傳播時會形成強電場，強電場電離空氣產生（shēng）大量電子，並加速電子沿著激光傳播方向（xiàng）高速行進（jìn），高速電子轟擊金剛石晶（jīng）格可（kě）產生晶格（gé）空穴，空（kōng）穴與氮原子等（děng）雜質原子在隨後的熱處理過（guò）程中結合產（chǎn）生色心

盡管飛秒激光直（zhí）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（hé）技術問題:其一，在飛秒激光直寫金（jīn）剛石波導的過程中需要研究損耗形成的機（jī）理，開拓降低傳輸損耗和耦合損耗（hào）以及彎曲損耗的技術（shù）;其二，優（yōu）化色心製備技術，精準無損誘導色心的形成，降低後續熱處理對其色心性能的影響;其三，進一步拓（tuò）展飛秒激（jī）光誘導金剛（gāng）石結構在量（liàng）子操控以及精密探測（cè）等領域（yù）的應用

總體來說，激光加工憑（píng）借（jiè）其高效率、低能耗（hào）、高柔性等特點，已經在許多應（yīng）用領域裏對 傳統加工方式進（jìn）行替代，給全球製造業帶來了革命性的轉變（biàn）。隨著激光（guāng）在金剛石工業（yè）領域滲透進（jìn）程的不斷（duàn）推進（jìn），成為實現金剛石（shí）功能應用的有效工具，“激（jī）”發金剛石未來應用無限可能！

行業活動

基於此，2021年11月18-20日，由DT新（xīn）材料（liào）&中國超硬材料網（wǎng）聯合主辦的第六屆國際碳材料大會暨產業展覽會——金剛石論壇將在上海（hǎi）跨國采購（gòu）會展中心拉開帷（wéi）幕。本屆論壇設置（zhì）極端製造與（yǔ）超精密加工論壇，特邀廣東工業大學王成勇教授（shòu）分享《超硬材料的激光加工》、吉林大學（xué）田振男（nán）副教授分享《飛秒激（jī）光加工金剛石微（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（tè）色展區（qū），圍繞半導體相關產業鏈展開，從半導體的超精密加工技術、襯底技術、高功率器件（jiàn）與碳基散熱解決方案、到半導體電子器件前沿應（yīng）用等展開話題討論，探索金剛石應用的無限可能！

王成（chéng）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、博士生導師、現任廣（guǎng）東（dōng）工業大學（xué）副（fù）校長。1989年獲大連理工大學博士學位，曾先後在德國、俄羅斯、澳大利亞等地（dì）進行學術訪問。自1983年以來，長（zhǎng）期從事金剛石（shí）、聚晶金剛石等（děng）超硬材料工具加（jiā）工理論、設（shè）計、製造及應用技術研究。長期擔任《金剛石磨料磨具工程》 雜誌副主任編委，廣東省超硬精密工具工程技術（shù）研究中心副主任（校企聯合（hé）），現為教育部高等學校機械類專業教學指導委（wěi）員會（huì）委員、廣東省本科高（gāo）校機械類專業教學指導委（wěi）員會主任委（wěi）員，廣東省高校現代加工（gōng）技術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（dōng）省機械模具科（kē）技促進協會專家委員會主任，全（quán）國光（guāng）輻射（shè）安全（quán）和激光設備標準化（huà）技術委員會激光材料加工和激光設備分技術委員會委員（yuán）等。等。主（zhǔ）持國家自然科學基金（jīn）項目12項（含重點項目1項，廣東聯合基金重點項目2項（xiàng））；已授權發明專利63項；已發表SCI論（lùn）文90餘篇。獲國家科技進步二等獎（2019）、中國機械工業科學技術獎一等獎（2018）和廣東省（shěng）科學技術一等獎（2014）各1項；獲廣東（dōng）省高（gāo）等（děng）學（xué）校教學名師獎（2009），享受國務院（yuàn）政府特殊津貼。

田振男副教授

吉（jí）林大學電子科學與工程學院

報告題目：飛秒激光加工金剛石微結構及NV色心

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

到目前為止，在飛秒激光直寫微光學元件/三維光子集成器件製備（bèi）與調控領（lǐng）域（yù）發表SCI論文30餘篇，申請國家發明專利5項。作為項目負責人主持國家自然科學基金項目1項（xiàng），博士後麵上項目（mù）1項；作為主要參加人參與國家重大科研儀器研（yán）製項目1項，國家（jiā）重大項（xiàng）目（mù）1項（xiàng）。擔任OL，AOM，OE，等（děng）雜誌的審稿人。