激光是20世紀以來，繼原子能、計算機、半導體之后，人類的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”、“最準的尺”、“最亮的光”、“奇異的光”。它的亮度約為太陽光的100億倍。六十年前，美國年輕的物理學家梅曼成功研制了人類歷史上第一臺激光器——紅寶石激光器，每年的5月16日，激光的誕生日，被定為“國際光日”。

01激光是什么？為何地位如此重要？

激光，利用某些物質(zhì)原子中的粒子受激發(fā)而發(fā)出的光，與普通的光不同，其輻射出的光波具有相同的位相、頻率和振動方向。激光，“Laser”，是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 每個單詞首個字母的縮寫，如用中文加以解釋，就是“受激輻射的光放大”，這實際上也反映了激光器的工作原理。

圖1：激光的相干性好（圖片來自網(wǎng)絡）

“激光”的中文名來自錢學森?！凹す狻边@個中文名詞，不是譯音，也不是外來語，那么又是誰把激光器的英文名稱叫“Laser”的呢？1964年10月，中國科學院長春光機所主辦的《光受激發(fā)射情報》（其前身為《光量子放大專刊》）雜志編輯部致信我國著名科學家錢學森，請他為Laser這種新光源取一個中文名字。錢學森教授很快便回信并建議：“光受激發(fā)射這個名詞似乎太長，讀起來費事，能不能改稱為激光？”

02金剛石&激光，會是一場怎么樣的邂逅？

作為一種重要的“碳材料”，金剛石具有寬光譜透射性、低熱膨脹系數(shù)、高機械強度，高耐熱沖擊熱性，低散射，高激光誘導損傷閾值，低吸收，高拉曼增益系數(shù)和高導熱性等優(yōu)異特性的結(jié)合，為光學應用（如激光）提供了卓越的優(yōu)勢。

圖 2：金剛石晶體透射光譜范圍（未鍍膜）

金剛石的透射光譜范圍覆蓋從紫外、可見光、紅外至無線電波范圍，最初被用作顯微鏡的高折射率材料和極端環(huán)境下的紅外透射窗口。金剛石的本征光學性質(zhì)由其在深紫外的禁帶寬度決定，其截止波長為 225 nm (5.47 eV)；其中在2.5 至 6 μm 間有微弱的吸收，主要由其聲子帶吸收決定。此外，金剛石的大禁帶避免了金剛石晶體在高溫下熱產(chǎn)生的電荷載流子，因此，即使在非常高的溫度和輻射強度下，金剛石仍然可以保持高透明度。

此外，金剛石具有優(yōu)異的熱物性，其熱導率可高達2200 W/(m·K)，是常用激光晶體YAG的140多倍，比同處于第四族的單晶硅也高出近13倍。極高的熱穩(wěn)定性也使得金剛石能夠在高溫、高強度的嚴苛工作條件下呈現(xiàn)優(yōu)異的性能，因此廣泛應用于材料冷卻等領(lǐng)域。另外，熱學級CVD金剛石目前的主要應用是高功率半導體二極管激光器，二極管激光器陣列的熱沉(散熱片)，GaN on diamond復合片和衛(wèi)星擴熱板。主要用于光通訊(光端機)和軍事。目前高功率二極管激光器陣列的輸出功率已經(jīng)達到1千瓦以上,不僅在軍事,將來在民用技術(shù)上肯定會有廣泛用途(如用作激光加工)。

圖3：基于金剛石不同的性質(zhì)所報道的不同類型的光學元件

因此，與傳統(tǒng)材料的激光器相比，利用金剛石作為散熱器，透射窗口，反射窗口，分束器可使得激光器在高功率下依然穩(wěn)定的運行在相當高的性能水平……

03金剛石激光晶體與激光器

近年來隨著化學氣相沉積制備工藝的提高，使得人造金剛石的光學品質(zhì)得到快速提升！

金剛石將低雙折射率（10-5）、長光程、低光學吸收率等優(yōu)異性能結(jié)合在一起，使其成為低損耗激光腔應用的首選材料。由于金剛石內(nèi)部碳原子的高原子密度和強鍵合特性，結(jié)合高度對稱的晶格結(jié)構(gòu)，使其具有高拉曼增益，同時，高折射率和高聲波傳輸速度使之具有高布里淵增益和布里淵頻移。并且金剛石具有優(yōu)良的導熱性（室溫下為Cu的5倍）和最低的熱膨脹系數(shù)，使其比常用的拉曼增益介質(zhì)能夠達到更高的激光功率，在極大程度上克服了基于傳統(tǒng)工作物質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激光器存在的熱效應、以及波長和輸出功率難以兼顧的難題。

因此，金剛石激光器在拉曼和布里淵激光領(lǐng)域展現(xiàn)出極為突出的優(yōu)勢，為高功率激光的發(fā)展提供了新的機遇。

金剛石拉曼激光器

金剛石作為一種性能優(yōu)異的晶體拉曼材料，具有已知晶體材料中最大的拉曼頻移 1332.3 cm-1，其室溫下拉曼增益線寬約為1.5 cm-1。金剛石的拉曼增益具有偏振選擇性 ，當泵浦光偏振方向和金剛石晶體方向平行時，其拉曼增益最大 (10 cm/GW@1 μm)，且輸出線偏振的拉曼光。

表1：金剛石與其他拉曼增益材料的參數(shù)對比

超快的熱耗散能力是金剛石晶體在高功率運行下保持高拉曼增益不變并獲得高光束質(zhì)量激光輸出的關(guān)鍵。另外，拉曼過程中產(chǎn)生的Stokes 光的空間和相位等特性并不受泵浦光光束特征的影響，因此金剛石拉曼激光器（diamond Raman laser, DRL）能夠有效率地改善輸入光束的空間相干性。

圖4：一階、二階金剛石拉曼激光器亮度增強

迄今為止，人們利用納秒脈沖泵浦的金剛石拉曼激光器已經(jīng)將泵浦激光的亮度提高了 1.7 倍。然而針對連續(xù)光工作狀態(tài)下的金剛石拉曼激光亮度增強卻沒有相關(guān)報道。另外，近兩年人們利用高光束質(zhì)量（M2

金剛石布里淵激光器

雖然同為非彈性散射，但受激布里淵散射與受激拉曼散射不同的是，其為強光光子與介質(zhì)內(nèi)部聲子場作用產(chǎn)生具有一定頻率下移的光子并被不斷放大的過程。雖然布里淵散射中聲波場的作用類似于拉曼散射中分子振動，但由于聲波場的振動頻率遠低于介質(zhì)內(nèi)部的分子振動頻率，因此材料布里淵頻移(~GHz) 遠低于常規(guī)介質(zhì)的拉曼頻移 (~THz)，因此布里淵激光的量子虧損要比拉曼激光低得多，而且?guī)资?GHz 的布里淵頻移可以用作光子微波合成技術(shù)領(lǐng)域。此外，由于布里淵增益線寬非常窄 (MHz)，因此布里淵激光器可以產(chǎn)生極窄線寬的激光輸出，在微波光子學、相干通信、量子處理器和光譜學等領(lǐng)域應用前景廣闊。目前，布里淵激光主要通過幾種特殊材料(如硫系化合物、硅、二氧化硅、氮化鋁等) 并通過波導結(jié)構(gòu) (如微諧振器、光纖和薄片) 產(chǎn)生。

表2：金剛石與其他固體布里淵增益材料的參數(shù)對比

相比于現(xiàn)有的布里淵晶體材料，金剛石具有更高的布里淵頻率（>10 GHz），因此更易獲得頻率可分辨的斯托克斯光輸出。雖然，金剛石布里淵增益系數(shù)數(shù)值低于聲光晶體TeO2(100 cm/GW，已知最高)，但遠高于目前常用的波導和微腔所采用的布里淵材料硅 (0.24 cm/GW) 以及 CaF2(4.11 cm/GW)，且與常用的硫族化合物材料As2S3(74 cm/GW) 相當。且金剛石能夠在抽運功率為千瓦量級以及功率密度達到1 GW/cm2的情況下無負面非線性效應產(chǎn)生。因此，金剛石可以作為一種潛在的新型布里淵材料，但是在SBS領(lǐng)域金剛石還是一個“新成員”。

CO2激光器

CO2激光器是工業(yè)上常用的激光器之一，在加工 通信 雷達 化學分析 外科手術(shù)等領(lǐng)域有著重要應用隨著CO2激光器功率的提高，對輸出窗口的要求越來越苛刻，目前常用的窗口材料 ZnSe GaAs會在機械應力以及熱應力的作用下，發(fā)生畸變或者破碎，導致窗口失效 損壞。高功率輸出要求窗口必須具有高透過性 高熱導率 熱穩(wěn)定性以及機械強度等綜合性能 高質(zhì)量 CVD 金剛石抗激光( @ 10.6 μm) 損傷峰值能量高達 66 J /cm2，峰值功率可達 12.7 MW /mm2，同時金剛石在 10.6 μm 有較高的透過率 極高的熱導率和優(yōu)異的機械性能，這使得金剛石幾乎能完美地匹配高功率 CO2激光器對窗口材料的需求 據(jù)報道，美國通用公司將金剛石膜做成大功率激光窗片，可承受高達 200 kW 的 CO2激光輸出

04金剛石散熱——在高功率激光器中的應用

隨著航天 通信等領(lǐng)域電子器件向著小型化 集成化和高功率化的趨勢不斷發(fā)展，急劇增加的熱通量給器件散熱帶來巨大挑戰(zhàn)，過高的溫度已經(jīng)成為電子器件壽命降低和性能失效的重要因素 電子封裝材料作為半導體芯片散熱的主要通道。

高功率半導體激光器工作時由于單顆芯片出光功率大，單位面積產(chǎn)生的熱量大，如果不做好散熱技術(shù)，很容易發(fā)生芯片死亡，性能快速下降。熱效應影響，降低了激光器的輸出功率、電光轉(zhuǎn)換效率，甚至減少激光器使用壽命或者導致激光器失效等問題已不容忽視。高功率半導體激光器封裝對過渡熱沉的要求主要有兩個方面，低熱阻與低熱失配。過渡熱沉熱導率越高越可以有效地降低激光器熱阻，同時需考慮芯片與熱沉的熱膨脹系數(shù)匹配程度，根據(jù)需求選擇合適的燒結(jié)焊料，減少熱失配，進而提高高功率半導體激光器輸出特性。

圖5：金剛石散熱片

金剛石作為高功率半導體激光器封裝熱沉，表現(xiàn)出優(yōu)異的散熱特性：一方面將集中于器件PN結(jié)的熱量能夠均勻迅速的沿熱沉表面擴散；另一方面將熱量沿熱沉垂直方向迅速導出。因此可以應用金剛石膜制作高功率光電子元件的散熱器材料。

目前高功率半導體激光器普遍使用的散熱材料是氮化鋁熱沉，將其作為過渡熱沉燒結(jié)在銅熱沉上。隨著金剛石制造技術(shù)的大力發(fā)展，金剛石的成本得到降低，使得金剛石得到了廣泛的應用。目前人造金剛石熱沉的熱導率最高已經(jīng)達1800W/(K·m)以上，遠遠大于氮化鋁和銅的熱導率。擁有高熱導率的金剛石熱沉作為過渡熱沉是有顯著優(yōu)勢的。

圖6：高功率半導體激光器結(jié)構(gòu)示意圖

另外，一般微通道熱沉采用的是硅作為基底材料，但是金剛石相對于硅有更高的熱導率，所以一些學者采用金剛石做微通道熱沉，KennethEGoodson等人采用化學氣相沉積（CVD）技術(shù)設計了金剛石微通道熱沉，并與Missaggia等人所設計的硅微通道熱沉進行了對比。實驗結(jié)果表明，采用金剛石微通道的熱阻更低、散熱特性更好。劉剛，唐曉軍等人將金剛石擴散片焊接到疊片無氧銅微通道熱沉的上表面，在這種設計方案下用20℃，0.5L/min的水冷，經(jīng)數(shù)值仿真計算后，得到熱阻值為0.244℃/W，熱沉表面的最高溫度為44.4℃，可滿足100W以上的發(fā)熱量設計要求。

與此同時，隨著近些年金剛石與激光晶體的鍵合技術(shù)迅速發(fā)展，有效緩解了固體激光器的熱效應，然而該技術(shù)對金剛石的平整度和粗糙度的要求極高，給金剛石加工帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

05激光加工金剛石

高度創(chuàng)新的消費類電子產(chǎn)品領(lǐng)域，脆性材料被廣泛應用于智能設備中，例如手機，手表等。由于市場對產(chǎn)品性能要求越來越高，意味著采用傳統(tǒng)的EP電鍍磨頭，脆性材料如鋼化工程玻璃、氧化鋯、藍寶石的加工變得更加困難，而且這些脆性材料在加工后必須提供適當?shù)牧慵姸?。為了實現(xiàn)這一點，我們必須很好地控制表面光潔度和殘余應力，確保這些脆性材料在未來成功而經(jīng)濟有效的加工。

激光實現(xiàn)金剛石超精密拋光

金剛石廣泛應用于光伏發(fā)電、半導體、消費電子及超硬刀具等諸多領(lǐng)域，是現(xiàn)代工業(yè)中的關(guān)鍵基礎材料，亦被視為21世紀最有發(fā)展前景的工程材料。

第三代半導體、5G通信、通訊衛(wèi)星及軍用雷達等高新技術(shù)領(lǐng)域已大量應用金剛石襯底元器件，以滿足抗輻射、大功率、高頻率、高溫等極端工況的要求。另外，隨著陶瓷、鋁酸鹽、超級合金、金屬基復合材料和高性能聚合物等新材料的出現(xiàn)，以及對復雜形狀零件的強烈需求，導致對其加工刀具的要求越來越高。然而CVD 金剛石刀具表面粗糙度高、顆粒大，嚴重制約了在精密領(lǐng)域的應用，降低表面粗糙度是迫切需要解決的難題。平坦化拋光技術(shù)已經(jīng)成為單晶金剛石應用于上述領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。

圖7：晶圓的激光拋光

一般來說，人工方式生產(chǎn)出來的金剛石晶體表面粗糙，需要對其進行平坦化加工獲得高精度、低損傷的超光滑金剛石表面(Ra

在金剛石拋光中，存在以下兩大難點：一方面，金剛石硬度極高，通常需要大拋光載荷才能形成材料去除，因而在拋光過程中容易產(chǎn)生劃痕、坑點等表面/亞表面損傷；另一方面，金剛石彈性極限與強度極限非常接近，當所承受的載荷超過彈性極限時就會發(fā)生斷裂破壞，因而金剛石拋光加工時極易破碎。故實現(xiàn)金剛石高質(zhì)量、高效率的超光滑無損傷表面的加工非常困難。

當前應用于金剛石拋光的主要方法有機械拋光、化學機械拋光、動態(tài)磨削拋光、熱化學拋光、等離子體刻蝕和高能束流拋光等。但要實現(xiàn)金剛石這類高硬度、脆性材料的高質(zhì)量激光加工，一個重要的因素是需要有效控制熱效應的影響。作為一個有前途的技術(shù)和突破性的創(chuàng)新， 激光可以有效拋光工件表面的初始形貌并無視拋光表面的復雜性， 這一高自由度的靈活特性促使激光成為了表面拋光的首選手段。

激光切割、打孔等超精密加工

另外，激光具有精確的小尺度切割和鉆孔能力，激光憑借極高的峰值功率、精確的損傷閾值、極小的熱影響區(qū)、高的加工精度，以及適合于各種難加工超硬材料的特點，成為科研人員關(guān)注的焦點。

目前，激光切割主要應用在航空航天工業(yè)和汽車制造業(yè)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(chǎn)品領(lǐng)域顯然提供了最多的證據(jù)。手機、微處理器、顯示器、內(nèi)存芯片都是極其復雜的組件，由大量的不同材料、尺寸很小、厚度極小的多層材料組成。因而需要先進的、高精密度的加工能力，以及在經(jīng)濟上可行的大批量生產(chǎn)的能力。同步發(fā)展加工、激光技術(shù)以及新的光束傳輸技術(shù)，來滿足目前以及未來可能出現(xiàn)的挑戰(zhàn)。

微孔加工特別是深微孔加工一直是航空航天、新能源、生物醫(yī)療等高端制造領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)。激光打孔技術(shù)具有精度高、通用性強、效率高、成木低和綜合技術(shù)經(jīng)濟效益顯著等優(yōu)點，已成為現(xiàn)代制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，為微孔加工提供了先進的加工手段。國內(nèi)目前比較成熟的激光打孔的應用是在金剛石和天然金剛石拉扮模的生產(chǎn)及鐘表和儀表的寶石軸承、吃機葉片、多層印刷線路板等行業(yè)。

飛秒激光誘導金剛石色心

隨著金剛石微結(jié)構(gòu)的廣泛應用，對金剛石微結(jié)構(gòu)的精細加工提出了迫切需求。金剛石由于其較高的硬度和較低的塑性，其精細微納加工一直是一個很大的技術(shù)挑戰(zhàn)。要利用金剛石進行光子器件和探測器的制造，例如在金剛石內(nèi)部直寫石墨導電回路等三維微納結(jié)構(gòu)以及圖案化金剛石色心，發(fā)展一種高效可控的在其內(nèi)部制備微納米結(jié)構(gòu)的方法是必須的

圖：金剛石NV色心

傳統(tǒng)的高能射線輻照等色心制備方法很難實現(xiàn)在金剛石內(nèi)部任意位置精確誘導色心，限制了色心與微納光學結(jié)構(gòu)集成的空間自由度 離子注入法以唯一能實現(xiàn)指定位置亞微米級精度色心分布的方法被廣泛研究，但受電子束能量和金剛石表面損傷閾值的限制，這種方法只適合在金剛石表面和較淺層位置誘導色心，且后續(xù)熱處理工序會對金剛石內(nèi)微納結(jié)構(gòu)的光學性能帶來負面影響。

相對而言，飛秒激光直寫技術(shù)對材料的加工基于多光子吸收等非線性過程，可在表層無損的情況下聚焦到金剛石內(nèi)部，并突破衍射極限誘導產(chǎn)生高空間分辨的復雜的三維微納結(jié)構(gòu) 通過調(diào)整加工參數(shù)，采用飛秒激光可以在金剛石實現(xiàn)包含內(nèi)部和表面色心 折射率變化 微孔洞和微裂紋等多種微結(jié)構(gòu)的精準誘導，并通過各種微結(jié)構(gòu)的組合制備多種功能性光電器件，這些結(jié)構(gòu)在單光子產(chǎn)生 光波導 探測等方面具有重要的應用前景

06金剛石刀具用于激光微加工

超精密車削作為超精密加工技術(shù)的重要組成部分，在國防和尖端科技中起著重要作用。天然單晶金剛石擁有極高硬度、耐磨性好、強度高、極好的導熱性、能刃磨出鋒利的刃口等一系列優(yōu)異的性能，使其成為超精密切削中理想的、不可代替的刀具材料。

對金剛石材料，無論是 CVD、PCD 還是單晶金剛石的加工，始終影響著精密機械制造的發(fā)展。天然單晶金剛石一般是規(guī)則多面體，要將其加工成刀具一般需要研磨或者切割技術(shù)的支撐。

圖8：金剛石刀具

隨著日益增長的制造需要和物理科學的推動，材料的切割方法正朝著高效、靈活和精密的方向發(fā)展。激光由于其無接觸、加工效率高、熱影響區(qū)小、切割軌跡復雜等優(yōu)點，逐漸進入人們視野。目前，激光切割技術(shù)已經(jīng)成為激光加工技術(shù)中發(fā)展最成熟、應用最廣的一種加工工藝。激光切割技術(shù)是將具有極高功率密度的聚焦激光束與工件相對運動，使工件材料不斷蝕除并形成切縫的切割技術(shù)。激光切割設備占激光加工設備總值的 70% 以上，廣泛應用于汽車、船舶、橋梁、機械制造、航空航天和能源等領(lǐng)域。另外通過使用激光切割技術(shù)，可以降低刀具成本，縮短刀具制造時間，從而推動超精密加工技術(shù)的發(fā)展。

例如，美國西密歇根大學的John Patten博士開發(fā)了一種稱為“μ-LAM”的微激光輔助加工技術(shù)，該方法將激光與金剛石刀具結(jié)合起來，對硅半導體和陶瓷材料進行加熱軟化和切削加工?！唉?LAM”加工裝置集成了一種紅外光纖激光(波長范圍1000～1500nm)，汾激光束通過一個具有很高光學清晰度的單點金剛石刀具照射到工件上，將工件材料加熱到600℃以上，刀尖圓弧半徑為5μm～5mm的金剛石刀具通過環(huán)氧樹脂粘接(適用于毫瓦級激光功率的加工)或焊接/釬焊(適用于1瓦或更大激光功率的加工)的方式，連接到裝在鎢或硬質(zhì)合金殼體中的激光器上。

另外，人造單晶金剛石工具同樣可以應用于激光微加孔技術(shù)中。近年來，集成電路產(chǎn)業(yè)得到了迅猛發(fā)展，也幫助了相關(guān)產(chǎn)業(yè)，特別是上游基礎產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。作為集成電路，大規(guī)模集成電路的關(guān)鍵材料，隨著集成電路及半導體器件向封裝多引線化、高集成度和小型化發(fā)展，鍵合金絲的技術(shù)指標也越來越高，高純度、高溫、超細、超長的絲材需求量迅速大大增加。人造單晶金剛石是集成電路引線模具理想的材料，研究和開發(fā)單晶金剛石集成電路精密引線模具是全世界科技工作者的重要任務。激光微打孔技術(shù)是人造單晶金剛石集成電路引線模具加工的重要方法，采用傳統(tǒng)的激光數(shù)控打孔模型很難達到精確的孔徑。我們提出的控制工件旋轉(zhuǎn)速度和激光脈沖能量進行激光打孔的新模型是有效的。