激光加工是目前金剛石的主流加工方法，相較于傳統(tǒng)的機(jī)械加工形式，激光加工精度高、效率高、普適性強(qiáng)，因而在金剛石切割、微孔成型、微槽道加工及平整化等方面均得到廣泛應(yīng)用。下文將闡述金剛石激光加工原理。

激光產(chǎn)生及主要特征

理論基礎(chǔ)：1917 年愛(ài)因斯坦基于量子理論提出原子或分子在光子激勵(lì)下產(chǎn)生受激發(fā)射或吸收，為激光器出現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

Nd:YAG晶體能級(jí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖  圖源：論文

產(chǎn)生條件：以 Nd:YAG 晶體為例，激光產(chǎn)生需滿足受激輻射光放大、集居數(shù)反轉(zhuǎn)及激光振蕩臨界狀態(tài)三大條件，對(duì)應(yīng)泵浦源、工作介質(zhì)和諧振腔三個(gè)基本結(jié)構(gòu)。

激光特性：激光是受激輻射相干光源，具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性，時(shí)間和空間控制性能好。

金剛石吸收激光能量

燒蝕原理：激光燒蝕通過(guò)激光束照射去除固體表面材料，影響因素包括脈沖長(zhǎng)度、波長(zhǎng)、激光功率等。

金剛石和石墨的光電子吸收行為  圖源：論文

金剛石吸收特點(diǎn)：無(wú)雜質(zhì)單晶金剛石僅對(duì)特定高能量光子有效吸收，實(shí)際加工常用波長(zhǎng)激光本不能被其吸收，但金剛石能帶結(jié)構(gòu)受缺陷影響使燒蝕閾值降低利于加工。

超短脈沖激光效應(yīng)：超短脈沖激光輻照時(shí)多光子吸收可使電子激發(fā)，產(chǎn)生相爆炸。燒蝕閾值隨脈沖寬度和脈沖數(shù)變化，當(dāng)前金剛石激光加工向短波長(zhǎng)、窄脈沖持續(xù)時(shí)間方向發(fā)展。

脈沖持續(xù)時(shí)間對(duì)金剛石燒蝕閾值的影響  圖源：論文

光致金剛石性能變化

石墨化轉(zhuǎn)變：激光加工使金剛石溫度升高，引發(fā)雜化軌道向雜化軌道轉(zhuǎn)變，即石墨化。

透過(guò)率降低：石墨化導(dǎo)致金剛石透過(guò)率降低，不同脈沖激光均會(huì)引起表面光擊穿，長(zhǎng)波長(zhǎng)激光加工時(shí)更明顯。

光電性質(zhì)改變：金剛石光電性質(zhì)受內(nèi)部雜質(zhì)和缺陷影響，可見(jiàn)光也能造成光子吸收，增加光電導(dǎo)，激光還會(huì)改變 NV 色心，相關(guān)研究意義重大。

金剛石表面形貌變化

能量密度影響：激光加工金剛石時(shí)，入射激光束能量密度影響加工表面形貌。較低能量密度入射使熱影響區(qū)內(nèi)出現(xiàn)石墨化，較高能量密度下根據(jù)脈寬區(qū)域會(huì)升華。

偏振影響：線偏振激光輻照時(shí)，表面會(huì)產(chǎn)生周期性結(jié)構(gòu)，飛秒激光產(chǎn)生的周期性特征更小，更適合納米光柵加工。

其他因素影響：激光能量密度和脈沖數(shù)量也會(huì)影響納米周期性結(jié)構(gòu)。

800nm飛秒激光輻照金剛石表面掃描電鏡圖片。(a)于3000脈沖激光能量密度1.9J/cm2形成的170nm周期性結(jié)構(gòu)；(b)于8000脈沖激光能量密度2.8J/cm2形成的190nm周期性結(jié)構(gòu)  圖源：論文

激光及激光加工機(jī)理是金剛石加工的核心內(nèi)容，深入理解這些原理有助于推動(dòng)金剛石激光加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，為其在更多領(lǐng)域的應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

轉(zhuǎn)自：DT半導(dǎo)體

以上內(nèi)容整理自論文《激光技術(shù)在金剛石加工中的研究及應(yīng)用進(jìn)展》

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