近期，香港理工大学联合大连理工大学研究团队在《International Journal of Mechanical Sciences》发表论文“Stress-Driven Exfoliation and Structural Evolution in Diamond under Femtosecond Laser”，论文聚焦飞秒激光作用下金刚石的材料去除核心机制，从宏观加工形貌到原子尺度结构演化完成系统性探究，首次清晰揭示了应力主导的非热材料去除新机制，彻底更新了学界对飞秒激光加工金刚石过程的传统认知，为金刚石高精度、低损伤激光精密加工提供了关键理论支撑。

为探明激光作用下金刚石内部的结构变化规律，团队结合拉曼光谱与高分辨透射电镜（HRTEM）开展微观结构分析，颠覆了“激光加工仅引发材料熔融”的传统认知。实验证明，飞秒激光加工过程中，金刚石不会发生简单熔融，而是产生sp³共价键向sp²共价键的渐进式结构重构。随着激光能量密度持续提升，金刚石表层逐步生成无定形碳与石墨化结构，最终形成金刚石、石墨、非晶碳共存的梯度过渡层，实现材料结构的可控演化。

为捕捉纳秒级超快加工动态过程，弥补实验观测的局限性，研究团队引入分子动力学模拟，从原子尺度还原了飞秒激光加工金刚石的完整演化机制。模拟数据表明，350飞秒超短脉冲激光照射时，能量会快速沉积于金刚石表层，在数百飞秒的极短时间内构建出极高的瞬态温压场。当局部应力突破金刚石晶格承受极限时，其内部sp³键快速失稳，材料表层率先发生局部非晶化，后续通过高压应力释放实现整体体积剥离，完全区别于传统激光加工的“液态熔融-蒸发”烧蚀模式。

研究进一步探究了激光脉宽对温度场、应力场演化的调控规律。结果显示，350飞秒超短脉冲可产生远超金刚石屈服极限的超高峰值压力，且应力波的形成早于温度峰值，证明材料去除过程以机械应力为核心驱动力，热效应可忽略不计；随着激光脉宽不断增加，机械应力作用持续减弱，热扩散效应持续增强，加工机制逐步从“非热应力去除”向“热主导烧蚀”过渡。该规律与宏观形貌、微观结构的实验分析结果高度吻合，首次完整证实飞秒激光加工金刚石存在非热加工到热影响加工的连续演化过程。

在第四代半导体快速发展的背景下，金刚石微纳精密加工能力是其各类高端器件产业化的核心瓶颈。该研究揭示的非热精密加工新机制，有效解决了传统加工损伤大、效率低的难题，不仅能够推动飞秒激光技术在金刚石半导体器件、高端散热基板、量子器件、精密光学元件制造中的规模化应用，也为超硬材料超快激光加工的机制研究、工艺创新提供了全新思路与技术参考。

图1. 飞秒激光微加工系统的示意图和实物照片。

图2. 飞秒激光照射单晶金刚石的分子动力学（MD）模型。该模型由50 × 50 × 50 a³的单元格组成，晶格常数a = 3.567 Å，分为恒温层和牛顿层。激光照射顶面，形成锥形热影响区。该块体被划分为十层，每层均具有不同的热学和力学性质。X、Y、Z轴表示模拟中使用的坐标系。

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