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！作為自然界中硬度最高的材料，它不僅僅是精美貴重的（de）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（yòng）於機械（xiè）加工的磨料、工具以及耐（nài）磨器件（jiàn）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（cái）料！由於金剛石材料還兼具高熱（rè）傳導率、高耐磨（mó）性（xìng）、寬帶透明性（xìng）等功能性質，也是製作各種耐磨、耐高溫、耐腐蝕、耐輻射元器件的首選（xuǎn）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（tǐ）等領（lǐng）域（yù）的惡劣和極（jí）端的工作（zuò）環境。隨著（zhe）工業領域對功能金剛石需（xū）求（qiú）的不斷增長，人（rén）工合（hé）成技術的日趨成熟，金剛（gāng）石材料的價格逐步（bù）降低，這也為其大規模應用創造了可能。

圖1：金剛石的性（xìng）能與應用

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

尤其是針對微（wēi）小的結構，金剛石（shí）由於其較高的（de）硬度和較低的塑性，其加工一直是一個很大的技術挑戰。傳統的機械加工等方式難以達（dá）到預（yù）期的加工精度（dù）和表麵粗糙度，比（bǐ）較適合於大麵積的表麵（miàn）加工，無法滿足功能性（xìng）元器件越來越小（xiǎo）型化、精密化的發展趨勢和要求。

激光技術的發展提供了一種先進（jìn）、低成本的加工手（shǒu）段。然而，目前國內外所報道的激（jī）光直接加工金（jīn）剛石所（suǒ）獲得的表麵質量仍然較差，粗（cū）糙度Ra大多停留在100 nm左右，離金剛石微結構（gòu）器件的需求相差甚遠。開發工藝（yì）簡單的激光加工技術，實現（xiàn）金剛石材料的高質量、光學量級的精密加工，將在未（wèi）來金（jīn）剛石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工

要（yào）實現玻璃、陶瓷、矽、藍寶石和金剛石（shí）這類高硬度、脆性材（cái）料的高質量（liàng）激光加（jiā）工，一個重（chóng）要的（de）因（yīn）素是需要有（yǒu）效控製熱（rè）效應的影響。由於金（jīn）剛（gāng）石硬度（dù）最高（gāo），金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、精確的損傷閾值、極小的熱（rè）影響區、高（gāo）的加工精度（dù），以及適合於（yú）各種難（nán）加工超硬材料（liào）的特點，成為科研人員關注的焦點。

特別是近年來超（chāo）快光學和光纖激光器的迅速發展，使得激光加工技術在（zài）激光器輸出功率（lǜ）、加工精度及工（gōng）藝參數等方麵均得（dé）到了（le）完善（shàn）和提升。受限於成本等因素，目前脈寬在微秒、納（nà）秒（miǎo）量級的長（zhǎng）脈寬激光器在工（gōng）業加工中（zhōng）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（céng）開裂等問題，無法滿足（zú）微納尺度精細加工的應（yīng）用（yòng）場景。

圖2：激光加工的優勢

研究表明，加工所用激光（guāng）的脈（mò）衝寬度越窄、峰值功率密度越大（dà），越能夠（gòu）有效減小（xiǎo）加工中熱影（yǐng）響區及重（chóng）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（chí）豫時間在微秒至皮秒之間，對於大部分材料，當激光的（de）脈寬（kuān）大於10-12s時，材（cái）料的（de）溫度達到一（yī）定程度時，開始出現熔化、氣化（huà）等物理現象。當激光的脈寬（kuān）達到皮秒（miǎo）、飛（fēi）秒量級時，整個激光作用過程時間極短，材料的溫度瞬（shùn）時（shí）達到（dào）峰值，沒來得及熔化就（jiù）直接轉化為等離子狀態，加工（gōng）過程將幾乎沒有熱量被自由電子傳（chuán）導（dǎo）至加工區域的周圍，實現（xiàn）材料去除，因此飛秒激（jī）光的加工（gōng）過程中沒有明顯的熔渣和碎屑，加工質量高（gāo），實現幾乎無熱影響區的“冷加工”。

利用超快激光“冷加（jiā）工”的特性，可應用在各種材料的精細加工中，包括金屬、玻璃、藍寶石、半導體、塑（sù）料等，加工方式涵（hán）蓋了打（dǎ）孔、切割、選擇性去除、微（wēi）結構製備（bèi）等，特別是近年來高端3C製造業對於加工工藝要（yào）求的不斷提升，使（shǐ）激光加工（gōng）在消費電子觸摸（mō）屏模組生產、半導體晶圓劃片切割、柔（róu）性太陽能薄（báo）膜電池加工、硬脆性材料打孔、切割等領域展現出全新的應用前景。

01微孔加工

微（wēi）孔加工特（tè）別是深微孔加工一直是航空航天、新能源、生物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（gāo）、通用性（xìng）強、效（xiào）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（jīn）剛石和天然金剛石（shí）拉扮（bàn）模的（de）生產（chǎn）及鍾表和儀表的寶石軸承、吃機葉（yè）片、多層印（yìn）刷線路板等（děng）行業（yè）。

圖3：微孔（kǒng）加工與金剛石（shí）器件應用（yòng）

02 激光（guāng）打標

激光標記機的市場（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（mì）度的（de）激光對工件進行局部（bù）照（zhào）射，使表層材（cái）料（liào）汽化或發生顏色變化（huà）的化學應，從而留（liú）下（xià）永久性標記的一種技術。由於有多（duō）種特點，所以應用越來越廣泛，特別是多種電子器件、集（jí）成電路模塊、汽車零件（jiàn）甚至汽車窗玻璃、醫療器械（xiè）、精密儀（yí）器儀表、線路板、橡（xiàng）膠 製品、計算機鍵（jiàn）盤、手機麵板、精美禮品、玻（bō）璃製品等等。

03 激（jī）光切割、劃線

激光在切割、劃（huá）線中（zhōng）是激光微細加工中（zhōng）最為廣泛的應用之一，隨（suí）著激光器功率和光束質（zhì）量的不斷提高以及數控機床、掃描振鏡等配（pèi）套技術的不斷完善（shàn），激光在加工精度和效率方（fāng）麵均得到（dào）大幅提升，拓展了工業高精細度切割劃的應（yīng）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）材料快速加熱，使其達到沸點後開始汽化，形（xíng）成了（le）空洞，再使光束與材料相對運動，在材料表麵形（xíng）成切縫激光切割技術可廣泛應用於金屬和（hé）非金屬材料的加工中，可大大減少加工時間，降低（dī）加工成本，提高工件質量（liàng）。同時，在玻璃、藍寶石、金剛石等硬脆透明材料應用市場廣（guǎng）闊（kuò），由於材（cái）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，由於其高硬脆特性，加工難度大，尤其對（duì）金剛石晶體進行高（gāo）質量、低損耗（hào）的加工（gōng）是一個難題（tí），傳統加工方式主要為（wéi）機械加工、超聲落料和（hé）化（huà）學刻蝕等。

圖4：激光加工的（de）應用

目前，激光切割主要應（yīng）用在航（háng）空航天（tiān）工業和汽車製造業中，如飛機框架、飛機主旋翼、汽車車架等切割。另外，在消費電子產品領域顯然（rán）提供了最多的證據。手機、微（wēi）處理器、顯示器、內存芯片都是極其（qí）複雜的組件，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（yào）先進的、高精密（mì）度的加工能力，以及在（zài）經濟上可行的大批量生產的能力。同步發展加（jiā）工、激光技術以及新的（de）光束傳輸技術，來滿足目（mù）前以及未來可能出現的挑戰。

飛（fēi）秒激（jī）光誘導金剛（gāng）石微（wēi）納結構

另（lìng）外，由於金剛石出色的性能及其色心體係對於量（liàng）子科學超靈敏（mǐn）探測領域的深遠意義，近年來，國內外眾多高校與頭部企業競相（xiàng）開展（zhǎn）金剛石內（nèi）部微納加工的理論和實驗研究。

針對微結構（gòu）的加工，當前（qián）多采用光刻技術來實現。但光刻工藝流程較為複雜，成本較高，且無法直（zhí）接用於材料三維和內部結（jié）構的製備。超快（kuài）激光的獨特特性使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（jīn）剛石無限潛能（néng）

多年（nián）來（lái），矽和鍺一直被認為是合適製造探測器和集成光電器件的半（bàn）導體材料然而，與金剛石（shí）基器件相比，這種四價半（bàn）導體的抗（kàng）輻（fú）射損傷能力較差，而且在惡劣條件或高（gāo）強（qiáng）光（guāng）輻（fú）照（zhào）下，器（qì）件的穩（wěn）定性較差（chà）近年來，金剛石因其優異的（de）光學與力學性（xìng）能，在集成光子學（xué）傳感和量子光學等領域展現了巨大的應用前景

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（tàn）原子形成共價鍵，構成四（sì）麵體，所有價電子都參與了共價鍵的（de）形成金剛石不僅硬度（dù）大熔點高高度透明，而且不（bú）導電金剛石廣泛應（yīng）用於電子器械機械加工石油（yóu）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學穩定性以及可在室溫下通過光學和（hé）磁共振方法實現（xiàn）自旋極化和調控的特性（xìng），有望（wàng）應用於固態量（liàng）子係統中進行如磁場（chǎng）電場應力壓強溫度以及核自旋等（děng）微小物（wù）理信號的靈敏探測在高精度機械傳感方麵，由於（yú）其高導（dǎo）熱性而具有低熱彈性（xìng）損耗，使得機械諧振器在高（gāo）頻率下工作（zuò）而（ér）不受顯著阻尼的影（yǐng）響

此外，金剛石（shí）提供的光學透明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，甚至微波（bō）區域(~8000 μm)，在這（zhè）些波段具有低群速度色散，因此適用於製備集成（chéng）光（guāng）子學器件

圖6：金剛石NV色（sè）心

近年來對金剛石光學活性缺（quē）陷中心的研究表明，在金剛石中有 500 種以上色心，它（tā）們的發射波長覆（fù）蓋紫外到近紅外波段，色心表現出高（gāo）度穩定的單光子熒光並提供一個可（kě）控的相幹電子自旋，且具有長期（qī）的穩（wěn）定性和低聲（shēng）子態密度從而導致低的電子-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（hěn）低因此（cǐ），金剛（gāng）石（shí）色心已經成為不需要在低溫條件下操作的固（gù）態單光子發（fā）射器的（de）唯一候選

02金剛石微納結構加工

然而在實際應用（yòng）中，由於金剛石材（cái）料本身（shēn）的（de）超（chāo）高硬度高折射（shè）率和低（dī）電導率等特點，利用常規方法很難在合適的位置精確形成設計的微納結構

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

最近，有研究利用各（gè）向異性的等（děng）離子體（tǐ）斜角度蝕刻金剛石，這種角度蝕刻方法可在（zài）大塊單晶金剛石（shí）表麵製造（zào）獨立的納米（mǐ）尺度組（zǔ）件，包（bāo）括納米（mǐ）機械（xiè）諧振器 光（guāng）波導光子晶體和微盤腔等但與其他方法一樣，其製備的幾何結構（gòu）僅限於在金剛（gāng）石表麵

另外，傳統的高能射線輻照等色（sè）心製備方法很難（nán）實現在金剛（gāng）石內部任意位置精確誘導（dǎo）色心，限製了色（sè）心與微納光（guāng）學結構集成的空間（jiān）自由度離子注入法以唯一（yī）能實現指定位置亞微米（mǐ）級精度色心分布的方法被廣（guǎng）泛研究，但受電子束能量和金剛石表（biǎo）麵損傷閾值的限製（zhì），這種方法隻適合在（zài）金剛石（shí）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微納結構的光學性能帶來（lái）負麵影響。

03飛秒激光誘導金剛石色心

相對而言，飛秒激光（guāng）直寫技術對材料的加工基於（yú）多光子吸收等（děng）非線性過程，可（kě）在表（biǎo）層無損（sǔn）的情況下（xià）聚焦到金剛石內部，並突破衍射極限誘（yòu）導產（chǎn）生高空間分辨的複雜（zá）的三維微納結構（gòu）通過調整加工參數，采用（yòng）飛秒激光可以在金剛石實現包含內（nèi）部和表麵色心折射率變（biàn）化微孔洞和微裂紋等多種微結構的精準誘導，並通（tōng）過各種微結構的組合製備（bèi）多種功能性（xìng）光電器件，這（zhè）些結構在單光子產（chǎn）生光（guāng）波導探測等方麵具（jù）有重要的應用前景

利用飛秒（miǎo）激光（guāng）輻照在金剛石表（biǎo）麵（miàn）形成色心的基本原理為：當飛秒激光脈衝聚焦在金剛石表（biǎo）麵附近，激光脈衝具有超高的峰值功率，在空氣中傳播（bō）時會形成強電場，強（qiáng）電場電離空氣產生大量電子，並加速電子沿著激光傳播（bō）方向高速行進，高速電子轟擊金剛石晶格可產生晶（jīng）格空穴，空穴（xué）與氮原（yuán）子等雜質原子在隨後（hòu）的熱處理（lǐ）過程中結合產生色心

盡管飛秒激光直（zhí）誘導金剛石微納（nà）結構的應用前景廣闊，但還亟需（xū）解決（jué）一些關鍵的科學和技術問題:其一，在飛秒激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（jiàng）低傳輸損耗和耦合損（sǔn）耗以及彎曲損耗的（de）技術;其二，優化色心製備技術，精（jīng）準無損誘導色心的形成，降低後續熱處理對其色心性（xìng）能的影響;其三，進一步（bù）拓展飛秒激光誘導金剛石結構在量子操控以及精密探測等領域的應（yīng）用

總體（tǐ）來說，激光加工憑借其（qí）高效率、低能耗、高柔性等（děng）特（tè）點，已經在許多（duō）應（yīng）用領域裏對 傳統加工方式進行替代，給全（quán）球製造業帶來了革命性的轉變。隨著激光在金剛石工業領域滲透進程的（de）不斷推進，成為（wéi）實現金剛石功（gōng）能應用的有效工具，“激”發（fā）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新材料&中國超硬材料網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（jiāng）在上海跨國采購（gòu）會展中心拉開帷幕。本屆論壇設置（zhì）極端（duān）製造與超精（jīng）密加工論壇，特邀（yāo）廣東工業大學（xué）王成勇教授分享《超硬材料的激光加工》、吉林大學（xué）田振男副教授分享《飛（fēi）秒激（jī）光加工金剛石微結（jié）構及NV色心》……，同時設置超精密加工、激（jī）光等4個內部研討會、特（tè）色展區，圍繞半導（dǎo）體相（xiàng）關（guān）產業鏈展開，從半導體的超精密加工技術、襯底技術、高功（gōng）率器件與（yǔ）碳基（jī）散熱解決方案（àn）、到半導體電（diàn）子器件前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（guǎng）東工業大學

報告題目：超硬材料的激光加工

王成勇教授（shòu）、博士生導師、現任（rèn）廣東工業大學副校長。1989年獲大連理工大（dà）學博士學位，曾先後在德國、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（jīn）剛石、聚晶金剛石等超（chāo）硬材料工具（jù）加工理論、設計、製造（zào）及應用技術（shù）研究。長期擔任《金剛石磨料（liào）磨具工程》 雜誌副主任編委，廣東（dōng）省超硬（yìng）精密（mì）工具（jù）工程技術研究中心副主任（校企聯（lián）合），現為教育部高等（děng）學（xué）校機械類專業教（jiāo）學指導委員會（huì）委員、廣東省本科高校機（jī）械類（lèi）專業教學指導委員會（huì）主任委員，廣東省高校現（xiàn）代加工技術（shù）與設（shè）計重點（diǎn）實驗室主任、廣東省機械工程學會副理事長、廣東（dōng）省機械模具科技促進協會專家委員會主任，全國光輻射安（ān）全和激光設備標準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（děng）。主持國家自然科學基金項目12項（xiàng）（含重點項目1項，廣東（dōng）聯合（hé）基金重點項（xiàng）目2項）；已（yǐ）授權發明專利63項；已發表SCI論文90餘篇。獲國（guó）家（jiā）科技進步二（èr）等獎（2019）、中（zhōng）國機械工業科學技術獎（jiǎng）一等獎（jiǎng）（2018）和廣（guǎng）東省科學技（jì）術一等獎（2014）各1項；獲（huò）廣東省高（gāo）等學校教（jiāo）學名師獎（2009），享受國務院政府特殊津貼。

田振（zhèn）男副教授

吉林大學（xué）電子科（kē）學與工程學院

報告題目：飛（fēi）秒激光加工金剛石微結構及NV色心

田振男，副教授，博士生導師。2007畢業於吉林大學物理（lǐ）學院光信息科學與技術專業（yè）獲理（lǐ）學學士學位，2014年畢業於吉林大學物理學院（yuàn）光學專業獲理學碩士學（xué）位，2017年（nián）畢業（yè）於（yú）吉林大學電子科學與工程學院物（wù）理（lǐ）電子學專業獲博士學位，2018-2019年於意大利米蘭理工物理學院從事博士後研究，2017年至今在吉林大學電子科學（xué）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與（yǔ）調控領（lǐng）域發表SCI論文30餘篇，申請國家發明專（zhuān）利5項。作為項（xiàng）目負責人主（zhǔ）持國家自（zì）然（rán）科學基（jī）金項目1項，博士後麵上項目1項；作為主要參（cān）加人參（cān）與國家重大科研儀器研製項目1項，國家重大項目1項。擔任OL，AOM，OE，等雜誌的審稿人。