《JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY》：Dual-pulse femtosecond laser processing of diamond: delay-dependent thermo-mechanical response and shock-induced damage evolution
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•烧蚀和残余损伤表现出不同的脉冲延迟依赖性。•局部晶格无序在约 2 ps 延迟时达到最大值。•10 ps 延迟抑制了累积的次表层和边缘损伤。•底部和侧壁粗糙度分别降低约 35% 和 46%。引言金刚石结合了优异的机械 [1]、热 [2]、光学 [3]、化学 [4] 和辐射稳定
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烧蚀和残余损伤表现出不同的脉冲延迟依赖性。
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局部晶格无序在约 2 ps 延迟时达到最大值。
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10 ps 延迟抑制了累积的次表层和边缘损伤。
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底部和侧壁粗糙度分别降低约 35% 和 46%。
引言
金刚石结合了优异的机械 [1]、热 [2]、光学 [3]、化学 [4] 和辐射稳定性，使其成为极端服役环境中的关键功能材料。这些特性的结合使其得以应用于高热流密度热管理 [5]、精密光学 [6]、微机电系统 [7] 以及高频和高功率电子封装。对于此类应用，器件性能不仅取决于金刚石的固有性能，还取决于所制造微结构的质量 [8]，[9]。在微沟槽、微通道和表面微结构制造过程中产生的结构缺陷可能会损害器件性能和可靠性。因此，金刚石微加工需要在微结构形成过程中实现高效的材料去除，同时保持尺寸精度、边缘完整性并降低次表层损伤 [10]，[11]。
激光加工提供了一种用于金刚石微加工的非接触且灵活的方法 [12]。高光子流强可在金刚石中引起局部石墨化、氧化、烧蚀和相变 [13]，[14]，从而实现材料去除 [15]。凭借其高可控性 [16]，激光加工因此被广泛探索用于金刚石的精密结构化 [17]，[18]。先前的研究通过调整激光参数、光束轮廓、扫描策略和加工环境来改善加工精度和表面质量。Takayama 等人 [19] 使用纳秒脉冲激光在单晶金刚石上制造微沟槽，并在沟槽中心附近获得了相对光滑的沟槽底部，但仍观察到裂纹、波纹、沟槽变形和碎屑沉积。Okamoto 等人 [20] 使用 200 ns 激光，随后进行酸清洗，当流强接近去除阈值时，获得了平均粗糙度低于 0.1 μm 的平整沟槽底部。他们通过使用平顶光束和两步扫描策略进一步提高了沟槽底部平整度和深度均匀性。Xing 等人 [21] 结合纳秒激光加工、单因素实验和响应面优化，研究了激光功率、重复频率和扫描速度对通道形貌、宽度、深度、材料去除率和表面粗糙度的影响，并在优化参数下获得了接近目标几何形状的微通道。因此，近阈值辐照、后清洗、光束整形和参数优化可以改善沟槽几何形状和表面质量。然而，所得的工艺窗口强烈依赖于激光系统和加工条件，而对缺陷形成的物理起源关注有限。在多皮秒至纳秒激光辐照下，脆性金刚石中的热积累和热应力仍然难以避免。加工边缘附近的应力集中可能导致边缘崩边、微裂纹、碎屑沉积和轮廓退化，这限制了加工质量的进一步改善。
当脉冲持续时间缩短到飞秒量级时，激光能量在发生显著热扩散之前就已沉积，材料去除在极短的时间尺度内发生。这种相互作用模式减小了热影响区，使飞秒激光加工在加工精度、边缘质量和精细特征制造方面具有优势。Haughton 等人 [22] 使用飞秒激光书写技术贯穿金刚石厚度制造了石墨化导电微丝，证明了金刚石内部可控的三维结构化。Zou 等人 [23] 使用 513 nm 飞秒激光在单晶金刚石上加工微沟槽，获得了窄沟槽；发现多次低流强扫描可降低残余应力并改善加工区域的晶体质量。Banik 等人 [24] 使用 1035 nm 飞秒激光在单晶金刚石上制造了周期约为 300 nm 的激光诱导周期性表面结构，改善了表面粗糙度、有效表面积和亲水性。内部石墨化和周期性表面结构化展示了飞秒激光加工的灵活性，但主要涉及结构制造和表面功能化。低流强多遍加工可降低残余应力，尽管改善效果取决于降低每次扫描过程中沉积的能量，并需要重复扫描。Zhang 等人 [25] 表明，将脉冲持续时间降低到 300 fs 可使金刚石烧蚀阈值降低约 75%，而更高的峰值功率会使沟槽表面从周期性波纹变为损伤、开裂和局部碎裂。降低的烧蚀阈值证实了短脉冲能量沉积的优势，而在高峰值功率下观察到的开裂和碎裂表明，仅靠热约束无法防止结构损伤。大多数已报道的研究评估最终形貌、残余应力或功能特性，使得瞬态材料响应与次表层晶格损伤之间的关联研究不足。同时，飞秒脉冲的超高峰值功率仍可在金刚石中产生强瞬态冲击，产生局部晶格无序、非晶化和次表层损伤 [26]。在连续多脉冲辐照期间，等离子体屏蔽、颗粒再沉积和局部积累会进一步削弱后续脉冲的能量耦合并降低材料去除的稳定性 [27]。
尽管飞秒激光加工具有优势，但在金刚石微加工过程中控制冲击引起的损伤仍然具有挑战性，特别是在边缘完整性、表面粗糙度和次表层损伤方面。大多数现有研究通过改变激光流强、扫描速度、光束轮廓或加工环境来改善加工质量。这些方法对于优化最终形貌是有效的，但它们并未直接解决飞秒辐照后即时发生的早期能量吸收、等离子体形成和激光诱导应力。因此，瞬态等离子体和应力响应与最终晶格损伤之间的关系仍然不清楚。应力振幅、加载持续时间以及连续应力响应之间相互作用对损伤形成的各自影响尚未得到明确区分。
在本工作中，使用飞秒双脉冲烧蚀进行单晶金刚石加工。通过引入皮秒级脉冲延迟，双脉冲烧蚀提供了一条途径，用于考察第二个子脉冲如何与第一个子脉冲产生的瞬态激发材料和应力场相互作用。单点烧蚀测试结合了超快泵浦-探针成像、等离子体发射测量、拉曼光谱和截面透射电子显微镜，以考察烧蚀形貌、羽流和冲击波行为、结合结构、非晶层厚度和次表层晶格损伤的变化。进一步采用双温度耦合热弹模型来量化不同激光流强和脉冲延迟下的电子-晶格能量转移和瞬态应力加载。将瞬态观测和计算与拉曼和透射电子显微镜结果相关联，以考察能量耦合和应力加载在残余损伤中的作用。然后选择特定的延迟条件用于扫描微沟槽制造，以评估材料去除、边缘损伤、表面质量和沟槽形貌。本研究将脉冲延迟相关的瞬态响应与残余晶格损伤联系起来，阐明了能量耦合和应力演变在损伤形成中的作用，并评估了脉冲延迟对微沟槽质量的影响。
章节片段
双脉冲激光加工和瞬态测量
光学级单晶金刚石板由湖北碳六科技有限公司提供。所有样品均为 (100) 取向、双面抛光表面，名义表面粗糙度低于 5 nm。用于单点实验、瞬态测量、结构表征以及沟槽深度和沟槽底部测量的样品尺寸为 5 × 5 × 0.5 mm3。另外使用尺寸为 5 × 5 × 0.1 mm3 的样品进行加工后的侧壁表征，其中减小的
表面烧蚀和残余结构修饰
图 2(a–c) 比较了在三种激光流强下获得的烧蚀坑形貌。在 3.9 J/cm2 时，坑径在所有脉冲条件下保持约 7 μm（图 2(a)）。在单脉冲辐照下，坑中心附近可见颗粒积累；在 1–2 ps 延迟下减少；在 10 ps 时再次出现。在 18.1 J/cm2 时，坑径增加到约 15 μm，而中心颗粒积累表现出与脉冲相同的减少–恢复响应
结论
本研究建立了脉冲延迟如何调节飞秒双脉冲金刚石加工过程中的能量耦合、热机械加载、残余晶格损伤和损伤积累。由此产生的延迟相关响应在深微沟槽加工中得到了进一步验证。主要结论如下：
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脉冲延迟改变残余损伤的空间形式，而不是使损伤均匀增加或减少。在低和中流强下，等离子体发射
CRediT 作者贡献声明
梁民盛：撰写 – 审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取。游锐：方法论、调查。赵勋：可视化、调查、数据整理。卢阳：撰写 – 审阅与编辑、监督、资源、资金获取。赵世青：可视化。施海燕：可视化、 资源。李宇航：可视化、 调查。李永康：验证、 方法论、 调查、 数据整理。连怡铃：撰写 – 审阅与编辑、 撰写
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文中报告的工作。
致谢
本研究得到国家自然科学基金（批准号：62501065，12525205）、内地与香港联合资助计划（MHP/321/24）、深港科技创新研究计划（C 类，SGCX20250526145702003）以及稳定支持计划（800009000199C1452444）的支持。
连怡铃|李永康|梁民盛|赵勋|游锐|李宇航|施海燕|赵世青|卢阳|张子晨
