编者按
南京航空航天大学傅玉灿教授、南京航空航天大学张全利副教授团队通过优化激光加工参数，实现了基于纳秒激光入射角度和扫描轨迹控制的CVD金刚石均匀抛光去除。该工作被选为期刊内封面，发表在2024年第10期。（查看全文信息请点击文末“阅读原文”）
封面解读
封面工作展现了纳秒激光用于金刚石微透镜加工成型及表面围观组织调控过程，研究团队，结合有限元仿真仿真对温度场和材料去除预测以及激光多参数抛光工艺验证试验，实现了纳秒激光对金刚石微透镜从粗加工成型到表面微观形貌特征的控制，为金刚石微透镜的高质高效加工提供了理论基础和工艺方案。
撰稿人：张全利
论文题目：CVD金刚石纳秒激光烧蚀机理及抛光试验研究（内封面文章·特邀）
作者：张全利1，许柏昕1，李嘉昊1，刘建1，吴明涛2，傅玉灿1
完成单位：
1.南京航空航天大学 机电学院
2.四川省精密超精密加工工程技术研究中心
导读
金刚石的极高硬度与耐磨性，传统的机械加工方式难于对其进行高效加工。激光复合机械磨削/抛光加工成为高效率、超精密加工金刚石的不二之选，但前提需要实现激光烧蚀金刚石材料损伤类型和石墨化层深度的有效控制。本研究结合有限元仿真和试验研究了纳秒激光入射角度对CVD金刚石的烧蚀表面创成过程影响，探究了激光功率、激光入射角与光斑重叠率等参数对CVD金刚石表面形貌及表面粗糙度的影响，分析了表面损伤的形成机理。纳秒激光烧蚀CVD金刚石表面以沟槽、裂纹等为主要表面损伤特征，并且表面形成石墨化层和沉积层。通过优化激光加工参数抑制了材料的表面损伤，改善了CVD金刚石材料的表面粗糙度，实现了基于纳秒激光入射角度和扫描轨迹控制的CVD金刚石均匀抛光去除。
图1 CVD金刚石表面形貌图
研究背景
CVD金刚石具有高硬度、高耐磨性、高热导率、高击穿电压、高折射率（n=2.4）和低热膨胀系数等优异的性能，在微电子、生物医学和光学领域应用前景广阔。为了提高表面质量，CVD金刚石加工常用的方法为超精密磨削和化学机械抛光，均存在效率低问题。激光加工可作为高度定向和定位的能量源，实现高效的材料改性，有利于通过与磨削/抛光复合的方式，显著提升效率，适用于有着高硬度与高耐磨性的CVD金刚石。尤其是，通过激光预加工金刚石创制初始轮廓和开展表面粗抛光，同时通过激光热效应诱导定量和定性控制产生石墨层与表面损伤层，提升CVD金刚石后续机械抛光工艺的效率，为实现微纳曲面金刚石元件高效率超精密加工奠定理论和工艺基础。
主要内容
（1）建立了激光烧蚀过程的有限元仿真模型，阐明了烧蚀表面的温度场、应力场分布规律，构建了激光加工参数与烧蚀轮廓的映射关系，实现了激光诱导石墨化转变层深度的准确预测。CVD金刚石表面激光烧蚀的温度场如图2所示，在激光能量作用下，金刚石转化为石墨，石墨在高温下升华。
图2 不同时刻 CVD金刚石表面激光烧蚀仿真温度场分布图：(a) t=0ns；(b) t=10ns
（2）研究了激光入射角、激光功率、扫描次数等对CVD金刚石表面粗糙度和三维形貌的影响规律。增大激光入射角可减弱材料表面陷光效应并有效改善材料表面粗糙度，如图3所示，且激光入射倾角越大，材料表面的加工深度越小。通过调控待加工表面与激光入射角度，优化激光烧蚀工艺过程，实现了CVD金刚石粗糙表面的抛光。
图3 不同激光功率下入射角对CVD金刚石表面粗糙度的影响
（3）研究了纳秒激光参数CVD金刚石形貌特征的影响，揭示了烧蚀表面气孔、沟壑、重铸层的形成机制。纳秒激光加工后CVD金刚石材料的典型表面形貌如图4所示。纳秒激光烧蚀诱导CVD金刚石表面形成了石墨层。石墨层在加工后冷却产生拉应力导致裂纹形成。研究结果表明，可通过增大激光入射倾角与降低激光功率来减少裂纹的尺寸与数量。
图4 纳秒激光加工CVD金刚石的典型表面形貌图
结论
本文对纳秒激光烧蚀CVD金刚石机理及工艺进行了研究，揭示了激光工艺参数对CVD金刚石表面形貌和表面损伤的影响规律，建立了纳秒激光参数与烧蚀损伤类型和程度定量关系，实现了在降低裂纹形成的同时，定量控制石墨化层的深度，为微纳曲面金刚石元件纳秒激光-机械抛光复合工艺奠定了理论和工艺基础。
作者介绍
张全利，博士，南京航空航天大学副教授/硕导，主要从事硬脆材料多能场复合加工技术与装备研究，主持/承担国家级、省部级及企事业合作课题20余项，入选江苏省创新创业计划高层次人才，已发表SCI/EI期刊论文50余篇，申请/授权国家发明专利20余项，登记软件著作权3项。
吴明涛，博士，四川省精密超精密加工工程技术研究中心工程师/硕导，主要从事硬脆材料超精密磨削、超快激光加工技术的研究，主持/承担国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题等项目10余项，已发表SCI/EI期刊论文10余篇。
傅玉灿，博士，南京航空航天大学教授/博士生导师，主要从事难加工材料高效精密加工技术研究，主持/承担国家及省部级基金及企业委托研究课题30余项，发表学术论文200余篇，授权国家发明专利40余项，获国防技术发明二等奖、江苏省科技进步二等奖等省部级奖项10余项。
文章信息
张全利, 许柏昕, 李嘉昊, 刘建, 吴明涛, 傅玉灿. CVD金刚石纳秒激光烧蚀机理及抛光试验研究（内封面文章·特邀）[J]. 红外与激光工程, 2024, 53(10): 20240285. DOI: 10.3788/IRLA20240285
全文链接：http://irla.cn/article/doi/10.3788/IRLA20240285（阅读原文）
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