如何用激光实现金刚石的光学量级表面抛光

“没有金刚钻，别揽瓷器活”，这句俗语很直观地形容了金刚石的特点——高硬度。作为自然界中硬度最高的材料，它不仅仅是精美贵重的宝石，还是一种应用广泛的工业原材料。因具有极高的硬度，金刚石及其制品主要应用于机械加工的磨料、工具以及耐磨器件等。因此金刚石又被誉为“工业牙齿”，它可以啃得动任何材料。由于金刚石材料还兼具高热传导率、高耐磨性、宽带透明性以及耐腐蚀性，使其表现出优良的物理化学稳定性和环境适应性，它还是制作各种耐磨、耐高温、耐腐蚀、耐辐射元器件的首选材料，被广泛地应用于航空航天、原子能反应堆、高功率激光器、半导体等领域的恶劣和极端的工作环境。随着工业领域对金刚石需求的不断增长以及人工合成技术的日趋成熟，人造金刚石材料的价格逐步降低，这也为其大规模应用创造了可能。

然而，由于其超高的硬度和稳定的物理化学性能，当需要对这种“工业牙齿”加工处理时，谁来揽金刚钻呢？尤其是针对微小的结构，金刚石的加工一直是一个很大的技术挑战。传统的加工方法通常采用机械磨抛来处理金刚石材料。这种方法比较适合于大面积的表面加工，但是无法满足功能性元器件越来越小型化、精密化的发展趋势和要求。针对微结构的加工，当前多采用光刻技术来实现。但光刻工艺流程较为复杂，且成本较高。激光技术的发展提供了一种先进、低成本的加工手段。然而，目前国内外所报道的激光直接加工金刚石所获得的表面质量仍然较差，粗糙度Ra大多停留在100 nm左右，离金刚石微结构器件的需求相差甚远。开发工艺简单的激光加工技术，实现金刚石材料的高质量、光学量级的精密加工，将在未来金刚石材料的大规模应用中发挥重要的作用。

要实现金刚石这类高硬度、脆性材料的高质量激光加工，一个重要的因素是需要有效控制热效应的影响。新加坡国立大学洪明辉教授团队和中国科学院福建物质结构研究所林文雄研究员团队合作，开发了一种先进的激光抛光技术，可使激光工作在材料损伤阈值附近的临界状态，从而进行材料处理，利用紫外（355 nm）纳秒激光在金刚石表面可以获得光学量级的表面粗糙度。在这种技术中，离焦激光入射和激光诱导石墨化过程发挥了重要作用。紫外激光以一定的离焦量照射到金刚石表面。在这种离焦条件下，对于高斯光束，在粗糙度较大凸凹不平的表面上，其凸起部分光斑直径较小，比凹槽部分承受更大的功率密度，因此具有更大的材料去除速率。这种材料去除速率的不同有助于削平凸起部分，降低表面的粗糙度。其次，随着激光的多次扫描，激光刻蚀深度逐渐增加，离焦量和光束直径也随之增大，光功率密度则逐渐降低，直至接近材料的损伤阈值。因此这种激光处理方式可以自动地使激光的强度趋向于材料的损伤阈值，然后工作在这种临界状态，从而最大限度地降低高光强带来的不利影响（如热效应）。

研究表面激光诱导金刚石材料的石墨化过程在激光抛光过程中起到关键的作用。要使激光光强达到临界状态，需要达到一定的激光去除深度，这种基于材料去除的激光抛光方法与基于融化的抛光过程不同。金刚石材料的去除过程如下：由于金刚石发生石墨化所需的温度远小于其融化的温度，表面金刚石在激光作用下首先发生石墨化，然后石墨材料对激光的吸收系数迅速增大，并在激光继续作用下被去除。正是因为激光诱导石墨化和材料去除的过程中所需要的光强均远小于融化过程中所需要的光强，因此可以在较小的光强下实现激光的抛光过程。在离焦的条件下，随着材料去除过程的持续进行，使得激光光强逐渐达到金刚石的损伤阈值。在阈值附近，反复的低光强激光作用获得了高质量的表面抛光。研究表明，这种方法可以直接在金刚石表面获得8 nm的表面粗糙度（图1所示），远小于可见光波长的1/20，达到光学量级。该研究对于实现超精密金刚石工具、微结构器件、微光学器件的激光加工有着重要的应用价值。

图1 激光抛光金刚石实验结果。（a）抛光前后的一维表面形貌；（b）抛光后表面共聚焦三维形貌；（c, d）二维表面粗糙度（AFM图片），50 μm×50 μm区域粗糙度11.1 nm，20 μm×20 μm区域粗糙度8.02 nm。

该研究成果近期以“Optical Quality Laser Polishing of CVD Diamond by UV Pulsed Laser Irradiation”为题发表在Advanced Optical Materials期刊上（Adv. Optical Mater. 2021, 2100537）

洪明辉教授：新加坡工程院院士，现任新加坡国立大学光学科学与工程中心主任、终身正教授，长期从事激光微纳加工及检测技术研究。美国光学学会（OSA）会士、国际光学工程学会（SPIE）会士、国际光子与激光工程学会（IAPLE）会士, 新加坡工程师学会（IES）会士。国际期刊Opto-Electronic Advances，Opto-Electronic Science执行主编，Light: Science and Applications（自然子刊）、Journal of Laser Micro / Nanoengineering和《中国科学: G》等高水平学术期刊的编委。

林文雄研究员：博士生导师。现为中科院福建物质结构研究所副所长，国家光电子晶体材料工程技术研究中心主任，中国増材制造产业联盟（工信部）首批特邀专家。担任国家科技部“材料领域”战略规划专家组成员，“信息领域”光电子微电子集成芯片重点专项编制专家。获2011年国家科技进步二等奖（排名1），福建第三届杰出科技人才，“新世纪百千万人才工程”国家级人选，享受国务院特殊津贴。长期致力于激光技术集成与应用研究，特别是在先进激光技术、增材制造等领域取得多项国际领先的科技成果并获得实际重要应用。