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激光遇上碳——金刚石与激光结合的应用探索

发布时间:2022-09-23 19:25:20 来源:雷竞技官方网页版 作者:雷竞技app在线下载

内容简介:  激光是20世纪以来,继原子能、计算机、半导体之后,人类的又一重大发明,被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”、“奇异的光”。它的亮度约为太阳光的100亿倍。六十年前,美国年轻的物理学家梅曼成功研制了人类历史上第一台激光器——红宝石激光器,每年的5月16日,激光的诞生日,被定为“国际光日”。  激光,利用某些物质原子中的粒子受激发而发出的光,与普通的光不同,其辐射出的光波具有相同的位相、频率和振动方向。激光,“Laser”,是Light Amplification by Stimulated Emission of Radi...

  激光是20世纪以来,继原子能、计算机、半导体之后,人类的又一重大发明,被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”、“奇异的光”。它的亮度约为太阳光的100亿倍。六十年前,美国年轻的物理学家梅曼成功研制了人类历史上第一台激光器——红宝石激光器,每年的5月16日,激光的诞生日,被定为“国际光日”。

  激光,利用某些物质原子中的粒子受激发而发出的光,与普通的光不同,其辐射出的光波具有相同的位相、频率和振动方向。激光,“Laser”,是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 每个单词首个字母的缩写,如用中文加以解释,就是“受激辐射的光放大”,这实际上也反映了激光器的工作原理。

  “激光”这个中文名词,不是译音,也不是外来语,那么又是谁把激光器的英文名称叫“Laser”的呢?1964年10月,中国科学院长春光机所主办的《光受激发射情报》(其前身为《光量子放大专刊》)杂志编辑部致信我国著名科学家钱学森,请他为Laser这种新光源取一个中文名字。钱学森教授很快便回信并建议:“光受激发射这个名词似乎太长,读起来费事,能不能改称为激光?”

  作为一种重要的“碳材料”,金刚石具有宽光谱透射性、低热膨胀系数、高机械强度,高耐热冲击热性,低散射,高激光诱导损伤阈值,低吸收,高拉曼增益系数和高导热性等优异特性的结合,为光学应用(如激光)提供了卓越的优势。

  金刚石的透射光谱范围覆盖从紫外、可见光、红外至无线电波范围,最初被用作显微镜的高折射率材料和极端环境下的红外透射窗口。金刚石的本征光学性质由其在深紫外的禁带宽度决定,其截止波长为 225 nm (5.47 eV);其中在2.5 至 6 μm 间有微弱的吸收,主要由其声子带吸收决定。此外,金刚石的带避免了金刚石晶体在高温下热产生的电荷载流子,因此,即使在非常高的温度和辐射强度下,金刚石仍然可以保持高透明度。

  此外,金刚石具有优异的热物性,其热导率可高达2200 W/(m·K),是常用激光晶体YAG的140多倍,比同处于第四族的单晶硅也高出近13倍。极高的热稳定性也使得金刚石能够在高温、高强度的严苛工作条件下呈现优异的性能,因此广泛应用于材料冷却等领域。另外,热学级CVD金刚石目前的主要应用是高功率半导体二极管激光器,二极管激光器阵列的热沉(散热片),GaN on diamond复合片和卫星扩热板。主要用于光通讯(光端机)和军事。目前高功率二极管激光器阵列的输出功率已经达到1千瓦以上,不仅在军事,将来在民用技术上肯定会有广泛用途(如用作激光加工)。

  因此,与传统材料的激光器相比,利用金刚石作为散热器,透射窗口,反射窗口,分束器可使得激光器在高功率下依然稳定的运行在相当高的性能水平……

  近年来随着化学气相沉积制备工艺的提高,使得人造金刚石的光学品质得到快速提升!

  金刚石将低双折射率(10-5)、长光程、低光学吸收率等优异性能结合在一起,使其成为低损耗激光腔应用的首选材料。由于金刚石内部碳原子的高原子密度和强键合特性,结合高度对称的晶格结构,使其具有高拉曼增益,同时,高折射率和高声波传输速度使之具有高布里渊增益和布里渊频移。并且金刚石具有优良的导热性(室温下为Cu的5倍)和最低的热膨胀系数,使其比常用的拉曼增益介质能够达到更高的激光功率,在极大程度上克服了基于传统工作物质的粒子数反转激光器存在的热效应、以及波长和输出功率难以兼顾的难题。

  因此,金刚石激光器在拉曼和布里渊激光领域展现出极为突出的优势,为高功率激光的发展提供了新的机遇。

  金刚石作为一种性能优异的晶体拉曼材料,具有已知晶体材料中最大的拉曼频移 1332.3 cm-1,其室温下拉曼增益线。金刚石的拉曼增益具有偏振选择性 ,当泵浦光偏振方向和金刚石晶体方向平行时,其拉曼增益最大 (10 cm/GW@1 μm),且输出线:金刚石与其他拉曼增益材料的参数对比

  超快的热耗散能力是金刚石晶体在高功率运行下保持高拉曼增益不变并获得高光束质量激光输出的关键。另外,拉曼过程中产生的Stokes 光的空间和相位等特性并不受泵浦光光束特征的影响,因此金刚石拉曼激光器(diamond Raman laser, DRL)能够有效率地改善输入光束的空间相干性。

  迄今为止,人们利用纳秒脉冲泵浦的金刚石拉曼激光器已经将泵浦激光的亮度提高了 1.7 倍。然而针对连续光工作状态下的金刚石拉曼激光亮度增强却没有相关报道。另外,近两年人们利用高光束质量(M2

  虽然同为非弹性散射,但受激布里渊散射与受激拉曼散射不同的是,其为强光光子与介质内部声子场作用产生具有一定频率下移的光子并被不断放大的过程。虽然布里渊散射中声波场的作用类似于拉曼散射中分子振动,但由于声波场的振动频率远低于介质内部的分子振动频率,因此材料布里渊频移(~GHz) 远低于常规介质的拉曼频移 (~THz),因此布里渊激光的量子亏损要比拉曼激光低得多,而且几十 GHz 的布里渊频移可以用作光子微波合成技术领域。此外,由于布里渊增益线宽非常窄 (MHz),因此布里渊激光器可以产生极窄线宽的激光输出,在微波光子学、相干通信、量子处理器和光谱学等领域应用前景广阔。目前,布里渊激光主要通过几种特殊材料(如硫系化合物、硅、二氧化硅、氮化铝等) 并通过波导结构 (如微谐振器、光纤和薄片) 产生。

  相比于现有的布里渊晶体材料,金刚石具有更高的布里渊频率(>

  10 GHz),因此更易获得频率可分辨的斯托克斯光输出。虽然,金刚石布里渊增益系数数值低于声光晶体TeO2(100 cm/GW,已知最高),但远高于目前常用的波导和微腔所采用的布里渊材料硅 (0.24 cm/GW) 以及 CaF2(4.11 cm/GW),且与常用的硫族化合物材料As2S3(74 cm/GW) 相当。且金刚石能够在抽运功率为千瓦量级以及功率密度达到1 GW/cm2的情况下无负面非线性效应产生。因此,金刚石可以作为一种潜在的新型布里渊材料,但是在SBS领域金刚石还是一个“新成员”。

  CO2激光器是工业上常用的激光器之一,在加工、通信、雷达、化学分析、外科手术等领域有着重要应用随着CO2激光器功率的提高,对输出窗口的要求越来越苛刻,目前常用的窗口材料 ZnSe、GaAs会在机械应力以及热应力的作用下,发生畸变或者破碎,导致窗口失效、损坏。高功率输出要求窗口必须具有高透过性、高热导率、热稳定性以及机械强度等综合性能。高质量 CVD 金刚石抗激光( @ 10.6 μm) 损伤峰值能量高达 66 J /cm2,峰值功率可达 12.7 MW /mm2,同时金刚石在 10.6 μm 有较高的透过率、极高的热导率和优异的机械性能,这使得金刚石几乎能完美地匹配高功率 CO2激光器对窗口材料的需求。据报道,美国通用公司将金刚石膜做成大功率激光窗片,可承受高达 200 kW 的 CO2激光输出。

  金刚石散热——在高功率激光器中的应用随着航天、通信等领域电子器件向着小型化、集成化和高功率化的趋势不断发展,急剧增加的热通量给器件散热带来巨大挑战,过高的温度已经成为电子器件寿命降低和性能失效的重要因素。电子封装材料作为半导体芯片散热的主要通道。

  高功率半导体激光器工作时由于单颗芯片出光功率大,单位面积产生的热量大,如果不做好散热技术,很容易发生芯片死亡,性能快速下降。热效应影响,降低了激光器的输出功率、电光转换效率,甚至减少激光器使用寿命或者导致激光器失效等问题已不容忽视。高功率半导体激光器封装对过渡热沉的要求主要有两个方面,低热阻与低热失配。过渡热沉热导率越高越可以有效地降低激光器热阻,同时需考虑芯片与热沉的热膨胀系数匹配程度,根据需求选择合适的烧结焊料,减少热失配,进而提高高功率半导体激光器输出特性。

  金刚石作为高功率半导体激光器封装热沉,表现出优异的散热特性:一方面将集中于器件PN结的热量能够均匀迅速的沿热沉表面扩散;另一方面将热量沿热沉垂直方向迅速导出。因此可以应用金刚石膜制作高功率光电子元件的散热器材料。

  目前高功率半导体激光器普遍使用的散热材料是氮化铝热沉,将其作为过渡热沉烧结在铜热沉上。随着金刚石制造技术的大力发展,金刚石的成本得到降低,使得金刚石得到了广泛的应用。目前人造金刚石热沉的热导率最高已经达1800W/(K·m)以上,远远大于氮化铝和铜的热导率。拥有高热导率的金刚石热沉作为过渡热沉是有显著优势的。

  另外,一般微通道热沉采用的是硅作为基底材料,但是金刚石相对于硅有更高的热导率,所以一些学者采用金刚石做微通道热沉,KennethEGoodson等人采用化学气相沉积(CVD)技术设计了金刚石微通道热沉,并与Missaggia等人所设计的硅微通道热沉进行了对比。实验结果表明,采用金刚石微通道的热阻更低、散热特性更好。,唐晓军等人将金刚石扩散片焊接到叠片无氧铜微通道热沉的上表面,在这种设计方案下用20℃,0.5L/min的水冷,经数值仿线℃/W,热沉表面的最高温度为44.4℃,可满足100W以上的发热量设计要求。

  与此同时,随着近些年金刚石与激光晶体的键合技术迅速发展,有效缓解了固体激光器的热效应,然而该技术对金刚石的平整度和粗糙度的要求极高,给金刚石加工带来了巨大的挑战。

  激光加工金刚石高度创新的消费类电子产品领域,脆性材料被广泛应用于智能设备中,例如手机,手表等。由于市场对产品性能要求越来越高,意味着采用传统的EP电镀磨头,脆性材料如钢化工程玻璃、氧化锆、蓝宝石的加工变得更加困难,而且这些脆性材料在加工后必须提供适当的零件强度。为了实现这一点,我们必须很好地控制表面光洁度和残余应力,确保这些脆性材料在未来成功而经济有效的加工。

  金刚石广泛应用于光伏发电、半导体、消费电子及超硬刀具等诸多领域,是现代工业中的关键基础材料,亦被视为21世纪最有发展前景的工程材料。

  第三代半导体、5G通信、通讯卫星及军用雷达等高新技术领域已大量应用金刚石衬底元器件,以满足抗辐射、大功率、高频率、高温等极端工况的要求。另外,随着陶瓷、铝酸盐、超级合金、金属基复合材料和高性能聚合物等新材料的出现,以及对复杂形状零件的强烈需求,导致对其加工刀具的要求越来越高。然而CVD 金刚石刀具表面粗糙度高、颗粒大,严重制约了在精密领域的应用,降低表面粗糙度是迫切需要解决的难题。平坦化抛光技术已经成为单晶金刚石应用于上述领域的关键技术之一。

  一般来说,人工方式生产出来的金刚石晶体表面粗糙,需要对其进行平坦化加工获得高精度、低损伤的超光滑金刚石表面(Ra

  :一方面,金刚石硬度极高,通常需要大抛光载荷才能形成材料去除,因而在抛光过程中容易产生划痕、坑点等表面/亚表面损伤;另一方面,金刚石弹性极限与强度极限非常接近,当所承受的载荷超过弹性极限时就会发生断裂破坏,因而金刚石抛光加工时极易破碎。故实现金刚石高质量、高效率的超光滑无损伤表面的加工非常困难。当前应用于金刚石抛光的主要方法有

  等。但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。作为一个有前途的技术和突破性的创新, 激光可以有效抛光工件表面的初始形貌并无视抛光表面的复杂性, 这一高自由度的灵活特性促使激光成为了表面抛光的首选手段。

  另外,激光具有精确的小尺度切割和钻孔能力,激光凭借极高的峰值功率、精确的损伤阈值、极小的热影响区、高的加工精度,以及适合于各种难加工超硬材料的特点,成为科研人员关注的焦点。

  目前,激光切割主要应用在航空航天工业和汽车制造业中,如飞机框架、飞机主旋翼、汽车车架等切割。另外,在消费电子产品领域显然提供了最多的证据。手机、微处理器、显示器、内存芯片都是极其复杂的组件,由大量的不同材料、尺寸很小、厚度极小的多层材料组成。因而需要先进的、高精密度的加工能力,以及在经济上可行的大批量生产的能力。同步发展加工、激光技术以及新的光束传输技术,来满足目前以及未来可能出现的挑战。

  微孔加工特别是深微孔加工一直是航空航天、新能源、生物医疗等高端制造领域中的关键技术。激光打孔技术具有精度高、通用性强、效率高、成木低和综合技术经济效益显著等优点,已成为现代制造领域的关键技术之一,为微孔加工提供了先进的加工手段。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在金刚石和天然金刚石拉扮模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、吃机叶片、多层印刷线路板等行业。

  随着金刚石微结构的广泛应用,对金刚石微结构的精细加工提出了迫切需求。金刚石由于其较高的硬度和较低的塑性,其精细微纳加工一直是一个很大的技术挑战。要利用金刚石进行光子器件和探测器的制造,例如在金刚石内部直写石墨导电回路等三维微纳结构以及图案化金刚石色心,发展一种高效可控的在其内部制备微纳米结构的方法是必须的。

  传统的高能射线辐照等色心制备方法很难实现在金刚石内部任意位置精确诱导色心,限制了色心与微纳光学结构集成的空间自由度。离子注入法以唯一能实现指定位置亚微米级精度色心分布的方法被广泛研究,但受电子束能量和金刚石表面损伤阈值的限制,这种方法只适合在金刚石表面和较浅层位置诱导色心,且后续热处理工序会对金刚石内微纳结构的光学性能带来负面影响。

  相对而言,飞秒激光直写技术对材料的加工基于多光子吸收等非线性过程,可在表层无损的情况下聚焦到金刚石内部,并突破衍射极限诱导产生高空间分辨的复杂的三维微纳结构。通过调整加工参数,采用飞秒激光可以在金刚石实现包含内部和表面色心、折射率变化、微孔洞和微裂纹等多种微结构的精准诱导,并通过各种微结构的组合制备多种功能性光电器件,这些结构在单光子产生、光波导、探测等方面具有重要的应用前景。

  金刚石刀具用于激光微加工超精密车削作为超精密加工技术的重要组成部分,在国防和尖端科技中起着重要作用。天然单晶金刚石拥有极高硬度、耐磨性好、强度高、极好的导热性、能刃磨出锋利的刃口等一系列优异的性能,使其成为超精密切削中理想的、不可代替的刀具材料。

  对金刚石材料,无论是 CVD、PCD 还是单晶金刚石的加工,始终影响着精密机械制造的发展。天然单晶金刚石一般是规则多面体,要将其加工成刀具一般需要研磨或者切割技术的支撑。

  随着日益增长的制造需要和物理科学的推动,材料的切割方法正朝着高效、灵活和精密的方向发展。激光由于其无接触、加工效率高、热影响区小、切割轨迹复杂等优点,逐渐进入人们视野。目前,激光切割技术已经成为激光加工技术中发展最成熟、应用最广的一种加工工艺。激光切割技术是将具有极高功率密度的聚焦激光束与工件相对运动,使工件材料不断蚀除并形成切缝的切割技术。激光切割设备占激光加工设备总值的 70% 以上,广泛应用于汽车、船舶、桥梁、机械制造、航空航天和能源等领域。另外通过使用激光切割技术,可以降低刀具成本,缩短刀具制造时间,从而推动超精密加工技术的发展。

  例如,美国西密歇根大学的John Patten博士开发了一种称为“μ-LAM”的微激光辅助加工技术,该方法将激光与金刚石刀具结合起来,对硅半导体和陶瓷材料进行加热软化和切削加工。“μ-LAM”加工装置集成了一种红外光纤激光(波长范围1000~1500nm),汾激光束通过一个具有很高光学清晰度的单点金刚石刀具照射到工件上,将工件材料加热到600℃以上,刀尖圆弧半径为5μm~5mm的金刚石刀具通过环氧树脂粘接(适用于毫瓦级激光功率的加工)或焊接/钎焊(适用于1瓦或更大激光功率的加工)的方式,连接到装在钨或硬质合金壳体中的激光器上。

  另外,人造单晶金刚石工具同样可以应用于激光微加孔技术中。近年来,集成电路产业得到了迅猛发展,也帮助了相关产业,特别是上游基础产业的蓬勃发展。作为集成电路,大规模集成电路的关键材料,随着集成电路及半导体器件向封装多引线化、高集成度和小型化发展,键合金丝的技术指标也越来越高,高纯度、高温、超细、超长的丝材需求量迅速大大增加。人造单晶金刚石是集成电路引线模具理想的材料,研究和开发单晶金刚石集成电路精密引线模具是全世界科技工作者的重要任务。激光微打孔技术是人造单晶金刚石集成电路引线模具加工的重要方法,采用传统的激光数控打孔模型很难达到精确的孔径。我们提出的控制工件旋转速度和激光脉冲能量进行激光打孔的新模型是有效的。

  “最锋利的刀”遇上“最坚硬的材料”当最锋利的刀遇上最坚硬的材料,激光与碳,会是一场怎么样的邂逅呢,究竟会擦出什么样的火花?

  &中国超硬材料网联合主办的第六届国际碳材料大会暨产业展览会——金刚石论坛将在上海跨国采购会展中心拉开帷幕。本届论坛设置极端制造与超精密加工论坛和金刚石功能应用2大论坛,特邀广东工业大学王成勇教授分享《超硬材料的激光加工》、中科院上海光机所杭寅研究员分享金刚石在激光晶体中的应用(报告方向)、河北工业大学白振旭教授分享《金刚石布里渊激光器——突破高相干激光功率极限的新手段》、元素六技术负责人秦景霞分享《CVD金刚石在激光中的应用》、印度STPL公司Dhruv Rajguru分享《先进激光技术助力新材料应用突破》、吉林大学田振男副教授分享《飞秒激光加工金刚石微结构及NV色心》,另外特邀河北工业大学副校长吕志伟教授主持《金刚石与激光结合的应用探索》的圆桌交流与讨论……,同时设置特色展区,围绕半导体相关产业链展开,从半导体的超精密加工技术、衬底技术、高功率器件与碳基散热解决方案、到半导体电子器件前沿应用等展开话题讨论,探索金刚石应用的无限可能!扫名Carbontech2021 金刚石论坛

  王成勇教授、博士生导师、现任广东工业大学副校长。1989年获大连理工大学博士学位,曾先后在德国、俄罗斯、澳大利亚等地进行学术访问。自1983年以来,长期从事金刚石、聚晶金刚石等超硬材料工具加工理论、设计、制造及应用技术研究。长期担任《金刚石磨料磨具工程》 杂志副主任编委,广东省超硬精密工具工程技术研究中心副主任(校企联合),现为教育部高等学校机械类专业教学指导委员会委员、广东省本科高校机械类专业教学指导委员会主任委员,广东省高校现代加工技术与设计重点实验室主任、广东省机械工程学会副理事长、广东省机械模具科技促进协会专家委员会主任,全国光辐射安全和激光设备标准化技术委员会激光材料加工和激光设备分技术委员会委员等。等。主持国家自然科学基金项目12项(含重点项目1项,广东联合基金重点项目2项);已授权发明专利63项;已发表SCI论文90余篇。获国家科技进步二等奖(2019)、中国机械工业科学技术奖一等奖(2018)和广东省科学技术一等奖(2014)各1项;获广东省高等学校教学名师奖(2009),享受国务院政府特殊津贴。

  现任中国科学院上海光机所研究员、博士生导师,中国晶体学会理事,全国人工晶体标准化技术委员会委员,中国光学学会光学材料专业委员会委员,紫晶光电总工程师。申请获得并主持国家“863”、“973”、国家自然科学基金、国防科工委和上海市科委等十多项课题,在国内外SCI、EI期刊上发表论文80多篇,申请获得授权发明专利10多项。

  吕志伟教授,河北工业大学副校长,“长江学者”特聘教授,中国光学学会激光专业委员会副主任,中国电子学会工业工程分会副主任,科技委电子领域专家组成员,国家重大专项专家组成员,国家自然科学基金委员会评审专家,国防科技创新团队带头人、教育部创新团队带头人。中国工程教育专业认证协会学术委员会委员,中国工程教育电子信息与电气工程类专业认证委员会副主任、学术委员会主任。曾任哈尔滨工业大学教授、可调谐激光技术国家级重点实验室主任、教育部高等学校电子信息类专业教学指导委员会主任。吕志伟教授主要研究方向为高功率激光技术及非线性光学,目前已发表SCI论文300余篇,授权专利60余项, 多项研究成果荣获军队科技进步一等奖、黑龙江省自然科学一等奖等科技奖励。

  白振旭,教授,博士生导师,河北工业大学先进激光技术研究中心副主任、河北省先进激光技术与装备重点实验室副主任。目前担任中国光学光电子行业协会激光应用分会青年委员、天津市激光技术学会常务理事、北京光学学会青年工作委员会委员、《光电技术应用》青年编委,长期担任Optics Express等20余个国内外激光领域知名期刊审稿人。从事高功率固体激光器及非线性频率变换的研究,尤其是在高功率金刚石拉曼激光器及布里渊激光技术的研究取得重要进展,并荣获国际光学工程学会Teddi Laurin奖(全球每年仅1人)、光学青年科学家竞赛“Rising Stars of Light”一等奖、第二届全国光子技术论坛优秀口头报告奖等。作为项目负责人主持军委装发部预研基金、国家自然科学基金等10余项课题,并作为核心成员参与国家重大科研仪器研制项目、美国空军研究实验室基金等。在APL Photonics,Optics Letters等期刊发表SCI论文50余篇,授权专利20余项。

  田振男,副教授,博士生导师。2007毕业于吉林大学物理学院光信息科学与技术专业获理学学士学位,2014年毕业于吉林大学物理学院光学专业获理学硕士学位,2017年毕业于吉林大学电子科学与工程学院物理电子学专业获博士学位,2018-2019年于意大利米兰理工物理学院从事博士后研究,2017年至今在吉林大学电子科学与工程学院任教。

  到目前为止,在飞秒激光直写微光学元件/三维光子集成器件制备与调控领域发表SCI论文30余篇,申请国家发明专利5项。作为项目负责人主持国家自然科学基金项目1项,博士后面上项目1项;作为主要参加人参与国家重大科研仪器研制项目1项,国家重大项目1项。担任OL,AOM,OE,等杂志的审稿人。

  金刚石晶体具有极高的热导率、极宽的光谱透过范围和极高的物理和化学稳定性,已在非线性光学、热传导、光学窗口等领域成为炙手可热的光学材料。基于金刚石极高的拉曼和布里渊增益系数,目前人们已经利用其在非线性转换过程中的光束净化效应将kW级的高阶模激光直接转换成衍射极限的拉曼激光输出,利用金刚石实现进一步的功率提升和极窄线宽的输出仍具有很大的开拓空间。此外,金刚石极高的热稳定性也使得金刚石激光器能够在高温、高强度的严苛工作条件下呈现良好的性能,在军事领域具有重要的应用潜力。

  同时,金刚石材料作为典型的硬脆性难加工材料在后期的产品成形中,传统加工方式已无法加工或者无法达到所要求的高精度和高分辨率,超快激光微纳加工技术作为目前最佳解决方案。

  基于此,第六届国际碳材料大会暨产业展览会(Carbontech 2021)金刚石论坛将邀请代表性企业及专家团队,共同探索金刚石与激光结合的应用以及金刚石在光电器件领域应用。

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