激光加工是目前金刚石的主流加工方法，相较于传统的机械加工形式，激光加工精度高、效率高、普适性强，因而在金刚石切割、微孔成型、微槽道加工及平整化等方面均得到广泛应用。下文将阐述金刚石激光加工原理。

激光产生及主要特征

理论基础：1917 年爱因斯坦基于量子理论提出原子或分子在光子激励下产生受激发射或吸收，为激光器出现奠定基础。

Nd:YAG晶体能级结构简图  图源：论文

产生条件：以 Nd:YAG 晶体为例，激光产生需满足受激辐射光放大、集居数反转及激光振荡临界状态三大条件，对应泵浦源、工作介质和谐振腔三个基本结构。

激光特性：激光是受激辐射相干光源，具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性，时间和空间控制性能好。

金刚石吸收激光能量

烧蚀原理：激光烧蚀通过激光束照射去除固体表面材料，影响因素包括脉冲长度、波长、激光功率等。

金刚石和石墨的光电子吸收行为  图源：论文

金刚石吸收特点：无杂质单晶金刚石仅对特定高能量光子有效吸收，实际加工常用波长激光本不能被其吸收，但金刚石能带结构受缺陷影响使烧蚀阈值降低利于加工。

超短脉冲激光效应：超短脉冲激光辐照时多光子吸收可使电子激发，产生相爆炸。烧蚀阈值随脉冲宽度和脉冲数变化，当前金刚石激光加工向短波长、窄脉冲持续时间方向发展。

脉冲持续时间对金刚石烧蚀阈值的影响  图源：论文

光致金刚石性能变化

石墨化转变：激光加工使金刚石温度升高，引发杂化轨道向杂化轨道转变，即石墨化。

透过率降低：石墨化导致金刚石透过率降低，不同脉冲激光均会引起表面光击穿，长波长激光加工时更明显。

光电性质改变：金刚石光电性质受内部杂质和缺陷影响，可见光也能造成光子吸收，增加光电导，激光还会改变 NV 色心，相关研究意义重大。

金刚石表面形貌变化

能量密度影响：激光加工金刚石时，入射激光束能量密度影响加工表面形貌。较低能量密度入射使热影响区内出现石墨化，较高能量密度下根据脉宽区域会升华。

偏振影响：线偏振激光辐照时，表面会产生周期性结构，飞秒激光产生的周期性特征更小，更适合纳米光栅加工。

其他因素影响：激光能量密度和脉冲数量也会影响纳米周期性结构。

800nm飞秒激光辐照金刚石表面扫描电镜图片。(a)于3000脉冲激光能量密度1.9J/cm2形成的170nm周期性结构；(b)于8000脉冲激光能量密度2.8J/cm2形成的190nm周期性结构  图源：论文

激光及激光加工机理是金刚石加工的核心内容，深入理解这些原理有助于推动金刚石激光加工技术的进一步发展，为其在更多领域的应用奠定坚实基础。

转自：DT半导体

以上内容整理自论文《激光技术在金刚石加工中的研究及应用进展》

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