紫外納秒激光加工CVD單晶金剛石基礎研究

關鍵詞紫外納秒激光；單晶金剛石；激光刻蝕；平頂激光

中圖分類號TG58;TN249文獻標志碼A

文章編號 1006-852X（2025）02-0205-09

DOI碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0097

收稿日期 2024-06-11 修回日期2024-09-28

化學氣相沉積（chemicalvapordeposition，CVD）單晶金剛石具備極寬的禁帶寬度、較高的載流子遷移率、較好的波透過性、極高的熱導率，以及高硬度、高彈性模量等優(yōu)異特性。基于這些特性，在面對航天極端環(huán)境時，CVD單晶金剛石在天線熱管理以及航天器光電系統(tǒng)散熱等方面有著廣泛的應用前景。但由于CVD單晶金剛石的高硬度、脆性以及化學惰性，對其表面及內部微結構的加工難度極大[1-4]。

目前，常見的金剛石加工方式有離子束刻蝕和激光加工等。利用離子束對金剛石表面進行刻蝕和拋光等，可以在不影響金剛石性能的情況下改善其表面粗糙度等[5-。但離子束加工的成本較高、效率較低且需要在真空條件下進行，現(xiàn)階段僅適用于實驗室的精密加工。相比之下，激光加工的精度好、效率高、成本低且易于實現(xiàn)自動化，更適合于金剛石加工，通過脈沖激光可以在金剛石表面進行微槽、微孔及其他微結構的加工。常用的脈沖激光有飛秒激光、皮秒激光以及納秒激光等。汪暉等研究了飛秒激光的能量密度、掃描速度、掃描次數(shù)對金剛石燒蝕區(qū)域內納米結構的影響，通過加工試驗及溫度場仿真模擬得出金剛石材料主要以升華方式去除，且飛秒激光的輻照能量主要集中于金剛石表層。溫秋玲等通過皮秒激光加工CVD單晶金剛石試驗及溫度場仿真得到了皮秒激光加工金剛石的燒蝕閾值、材料去除率等參數(shù)，并分析了皮秒激光加工金剛石的能量分布。相比于納秒激光，在相同的加工功率下，飛秒激光和皮秒激光的燒蝕率更高、表面質量更好[10-11]，但設備成本較高、結構較復雜且輸出穩(wěn)定性較差。相比于飛秒激光和皮秒激光，納秒激光的脈沖寬度更大，對金剛石加工的熱影響更大，更容易導致金剛石表面石墨化，雖然加工精度較低[2]，但設備成本更低，穩(wěn)定性也更好。

目前，納秒激光加工金剛石的研究已經(jīng)取得了一定的進展。陳妮等[13通過金剛石激光點/線刻蝕試驗，研究了紅外納秒激光功率及掃描速度對金剛石刻蝕程度的影響規(guī)律，并通過構建高斯脈沖激光線刻蝕能量密度分布模型得到了能量在材料表面的擴散機理。ZHANG等4通過研究紅外納秒激光刻蝕單晶金剛石的材料去除過程，闡明了金剛石表面裂紋、石墨化以及溝槽的形成機理，并通過試驗及計算得出了產(chǎn)生不同表面形貌所對應的臨界能量密度。相比于紅外激光，紫外激光更易被材料吸收，且加工過程中不會產(chǎn)生高熱量，可以使加工后的工件有較光滑的邊緣及較低的碳化程度。此外，紫外激光可在較低的脈沖能量水平下達到較大的能量密度，實現(xiàn)材料的有效加工[15]。

本研究中采用紫外納秒激光刻蝕CVD單晶金剛石，通過建立線刻蝕能量模型，預測激光功率、掃描速度對線刻蝕槽深度及寬度的影響規(guī)律，并通過線刻蝕試驗對預測結果進行驗證。最后采用掃描電子顯微鏡（scanningelectronmicroscopy，SEM）對加工后的形貌進行觀察，配合X射線能譜儀（energydispersive spectroscopy，EDS）對工件加工區(qū)域及其附近的元素進行檢測，并以此對其加工機理進行分析。

1試驗樣品及試驗方案

1.1試驗樣品

試驗使用尺寸為 6mm×10mm×1mm （長 x 寬 × 高）的CVD單晶金剛石，該單晶金剛石通過CVD方式生長，其雙面均進行了拋光處理，熱導率約為1300W/（ m?K ）。在進行激光線刻蝕試驗前，將金剛石樣品在無水乙醇中超聲清洗 5min ，用去離子水沖洗后烘干，然后將干凈的單晶金剛石片固定于激光設備的載物臺上。載物臺通過計算機控制，可沿 X 軸、Y軸、Z軸3個方向運動，移動平臺的精度約為 0.1μm 。

1.2試驗設備

試驗使用的激光設備為HOLO/OR公司生產(chǎn)的納秒紫外激光器（激光波長為 355nm ），如圖1所示。激光器使用平頂光束工作模式，該模式通過激光整形器對圓形的激光光束進行整形，從而達到方形光斑的效果。與高斯模式的峰值能量密度相比，平頂模式的峰值能量密度更低，具有激光能量分布更均勻的優(yōu)良特性。該激光系統(tǒng)的最大激光功率為 12.0W ，激光重復頻率范圍為 20～200kHz ，具體參數(shù)如表1所示。

1.3試驗過程及方法

在進行激光線刻蝕試驗之前，為了初步探究合適的激光刻蝕功率閾值，設置激光重復頻率為 20～50kHz （增量為 10kHz ），激光功率為 1.2～12.0W （增量為1.2W ），激光掃描速度為 1mm/s ，掃描次數(shù)為1次，進行激光線刻蝕預試驗。在得到初步的刻蝕結果后，為了探究激光刻蝕CVD單晶金剛石的機理，對其中激光重復頻率為 20kHz 、激光功率為 1.2W 的線刻蝕槽進行EDS分析，探究相應的材料組分變化。

得到初步的激光線刻蝕參數(shù)后，為進一步探究激光功率及掃描速度對線刻蝕槽的影響，通過建立平頂激光單脈沖模型及線刻蝕能量模型，對激光功率及掃描速度對線刻蝕槽形貌的影響規(guī)律進行預測分析，同時通過激光線刻蝕試驗加以驗證?；谇捌诖罅繂我蛩卦囼灥慕Y果以及對工件的詳細檢查，選定其中比較具備代表性的幾組試驗參數(shù)，如表2所示。為了便于觀測加工形貌，試驗時將2片單晶金剛石片對齊拼接，并在線刻蝕完成后，將樣品置于無水乙醇中超聲清洗用去離子水沖洗后烘干，再對側面加工位置進行約0.2mm 的切割及拋光處理。

2 結果與分析

2.1 激光模型建立

試驗中所使用的紫外納秒激光工作于平頂光束模式，其激光束光場為方形平頂分布。對于單脈沖激光，其對應的數(shù)學模型表達式為[1]：

式中： p₀ 為平頂激光的功率密度， x，y 為三維坐標系中的底面坐標，1為光斑邊長， ω 為平頂激光的平頂系數(shù)， P 為激光功率， A 為激光光斑面積。

利用式（1），通過COMSOL軟件建立如圖2a所示的平頂激光數(shù)學模型，代人設備參數(shù)后的建模如圖2b所示，圖2c為圖2b中激光模型頂部放大圖。

當激光作用于材料表面時，平頂激光能量密度可表示為[17]：

式中： f 為激光重復頻率。

激光線刻蝕過程中，相鄰脈沖激光之間的距離 d 由掃描速度 u 以及脈沖周期 T 決定[13]，即：

d=νT

本次線刻蝕試驗中保持激光重復頻率為 20kHz 不變，因此相鄰脈沖激光之間的距離僅由掃描速度決定。則CVD單晶金剛石表面任意一點的脈沖光斑能量密度為：

E₂（x，y）=E（x-nd，y）

式中： n 為掃描速度方向上的光斑個數(shù)。

相鄰脈沖激光之間距離的改變會影響到脈沖的重疊個數(shù)及重疊面積。圖3為光斑重疊示意圖。如圖3所示：掃描速度較小時，第一個光斑與其后的3個光斑均發(fā)生重疊；且相較于掃描速度較大時第一個光斑與其他光斑重疊的長度，掃描速度較小時的重疊長度更長。此外，重疊處發(fā)生脈沖能量疊加。掃描速度不同引起的脈沖重疊差異，會導致單晶金剛石表面同一位置處的能量差異。掃描速度越小，同一位置處重疊次數(shù)越多，累積能量越大，從而導致激光刻蝕表面產(chǎn)生差異。因此，CVD金剛石表面任一點的能量密度可表示為：

假定其他因素保持不變，則CVD單晶金剛石表面激光線刻蝕的能量密度函數(shù)可表示為激光功率 P 和掃描速度 ν 的函數(shù)，即：

E（x，y）=f（P，ν）

由式（7）通過COMSOL建立的激光線刻蝕能量模型如圖4所示，激光功率及掃描速度的改變會影響激光線刻蝕能量模型的形貌及能量重疊情況。

2.2激光刻蝕預試驗及其燒蝕機理分析

刻蝕功率閾值的預試驗結果如圖5所示。由圖5可知，當激光重復頻率為 20kHz 時，激光功率在 1.2～ 12.0W 范圍內均可進行線刻蝕，且試件線刻蝕痕跡清晰；當激光重復頻率為 30kHz 時，僅當激光功率達到7.2W 時開始發(fā)生線刻蝕，而在 40kHz 時不產(chǎn)生線刻蝕痕跡。因此在之后的線刻蝕試驗中，可以固定激光的

重復頻率為 20kHz

通過掃描電子顯微鏡獲得激光功率為 12.0W 時的線刻蝕槽的照片，并對槽內部及周圍區(qū)域進行EDS分析，結果如圖6所示。圖6中：區(qū)域5僅含C元素，可以判斷為單晶金剛石材料本體；區(qū)域1＼～區(qū)域4為槽內部及側壁區(qū)域，由柱狀圖可知這4個區(qū)域的C、N、0元素含量以及雜質元素幾乎相同，這些區(qū)域為激光主要刻蝕區(qū)域，槽區(qū)域內主要發(fā)生的是金剛石向石墨的相變以及石墨氧化反應[8.18-19]，在激光刻蝕過程中，由于溫度升高，金剛石發(fā)生石墨化，同時石墨在高溫下與空氣中的 0等元素發(fā)生化學反應，可能生成CO、CO₂ 等物質，導致此區(qū)域內C元素含量減少；區(qū)域6的C、N、O元素含量與其他區(qū)域相差不大，可能是激光刻蝕過程中，刻蝕區(qū)域內部發(fā)生微爆炸導致石墨顆粒及雜化物濺射所致[20]。相比于紅外激光，金剛石對紫外激光的吸收率更高，且由于加工材料較?。▋H為 1mm ），紫外激光加工過程中不會產(chǎn)生過高的熱量，避免了材料的熱損傷，同時可在較低的脈沖能量水平下達到較大的能量密度，使加工后的工件有較為光滑的邊緣及較低的碳化程度，實現(xiàn)了材料的有效加工。

2.3激光參數(shù)對線刻蝕槽形貌的影響

激光功率對線刻蝕槽寬度及深度的影響如圖7所示。從圖7可以看出，CVD單晶金剛石槽的側面基本呈“V”字形，結合激光線刻蝕能量模型可以發(fā)現(xiàn)，激光的能量密度呈現(xiàn)中間高、邊緣低的分布，即光斑中心位置能量高、邊緣能量低；保持激光掃描速度及掃描次數(shù)不變，金剛石線刻蝕槽的寬度和深度都隨激光功率的增大而增大。由式（3）可知：激光功率增大導致激光的能量密度增大，線刻蝕能量模型的峰值能量增大，使更多的材料發(fā)生燒蝕，導致槽深度加深。

如圖7所示：當激光功率為 1.2W 時，線刻蝕槽的寬度為 39.8μm 、深度為 35.7μm ；當激光功率為 3.0W 時，線刻蝕槽的寬度為 39.8μm 、深度增大至 41.1μm 當激光功率為 5.4W 時，線刻蝕槽的寬度為 41.0μm 深度為 42.1μm ；當激光功率為 10.8W 時，線刻蝕槽的寬度為 38.8μm 、深度為 57.2μm 。因此，激光功率增大對線刻蝕槽深度的影響要大于對其寬度的影響，結合線刻蝕能量模型，激光功率增大時，模型高度增加幅度大于其邊緣區(qū)域的橫向擴展幅度。此外，由于激光熱效應的影響，刻蝕槽的寬度要大于光斑直徑。

在圖7中還可以看到激光刻蝕后的槽中留有石墨堆積物，這主要是由加工時將2片金剛石片拼接導致的。由于拼接無法完全達到無縫隙，因而縫隙處會漏光，在激光行進時，在此處發(fā)生“跳動”，導致此處微槽不連續(xù)，容易產(chǎn)生石墨雜質堆積，而在實際加工的區(qū)域內較少出現(xiàn)。如圖7e、圖7f所示，對于功率 P=1.2 W的線刻蝕槽，槽前段切割拋光以及超聲處理前，槽僅在端口位置處（圖7e）存在較多堆積，而后續(xù)部分（圖7f）中存在少許石墨層附著，且槽中堆積較少；由于刻蝕后對加工處的前端位置進行了激光切割以及拋光處理，此過程也可能會導致槽端口處堆積石墨等雜質，如圖7a＼～圖7d所示；此外，激光功率增大使得槽深度加深，微槽錐角變小，導致底部石墨排出困難形成堆積。

掃描速度對線刻蝕槽寬度及深度的影響如圖8所示。在進行掃描速度的線刻蝕試驗時，為了避免掃描速度過大導致激光刻蝕痕跡較淺，設置激光掃描次數(shù)為5次。如圖8所示：當掃描速度為 3mm/s 時，線刻蝕槽的寬度為 39.5μm 、深度為 77.6μm ；當掃描速度為13mm/s 時，線刻蝕槽的寬度為 39.9μm 、深度為 37.9μm 當掃描速度為 21mm/s 時，線刻蝕槽的寬度為 35.6μm 深度為 22.3μm ；當掃描速度為 29mm/s 時，線刻蝕槽的寬度為 26.3μm 、深度為 18.0μm 。隨著掃描速度的增大，線刻蝕槽的寬度及深度基本上都逐漸減小。結合線刻蝕能量模型來看，掃描速度增大時，相鄰激光脈沖之間的距離增大，脈沖之間的疊加量及疊加面積減小，使得疊加處的能量減小，從而導致疊加處能量峰值降低；掃描速度的增大也會導致輻照于單位面積的激光脈沖數(shù)量減少。綜合作用下，線刻蝕槽的深度隨掃描速度的增大而減小。此外，隨著掃描速度的增大，線刻蝕槽的錐角增大，側面形貌逐漸由“V”字形向“凹”字形轉變。結合線刻蝕能量模型預測來看，這可能是由于疊加處能量過小，無法使更多的材料發(fā)生燒蝕，深度無法繼續(xù)加深，以至于無法形成“V”字形形貌。由圖8a＼～圖8d的錐角處石墨堆積來看，線刻蝕槽的錐角變大，石墨堆積也會減少。由此可以推斷，試驗時可以采用較大的掃描速度來得到較為平坦的槽底面。

3結論

本研究中構建了紫外納秒激光平頂模式的線刻蝕能量模型，通過該模型預測激光在金剛石表面的能量分布以及激光參數(shù)對線刻蝕槽形貌的影響規(guī)律，對CVD單晶金剛石進行線刻蝕試驗加以驗證，并對線刻蝕槽進行了EDS分析。得出如下結論：

（1）通過激光刻蝕預試驗可知：當激光重復頻率為 20kHz 時，激光功率在 1.2～12.0W 范圍內均可發(fā)生線刻蝕且刻蝕痕跡清晰；當激光重復頻率為 30kHz 時，僅當激光功率達到 7.2W 時開始發(fā)生線刻蝕；而在激光重復頻率為 40kHz 時，不產(chǎn)生線刻蝕痕跡。因此為了更好地進行激光刻蝕試驗，可固定激光重復頻率為

20kHz ，以便在較大的功率范圍內發(fā)生線刻蝕。此外，EDS檢測顯示納秒激光加工單晶金剛石的機理為高溫下金剛石的相變、石墨氧化、石墨及雜化物濺射。

（2）通過線刻蝕試驗可知：當激光功率由 1.2W 增大至 10.8W 時，線刻蝕槽的寬度基本不變，而其深度由35.7μm 增大至 57.2μm ；當掃描速度由 3mm/s 增加至29mm/s 時，線刻蝕槽的寬度由 39.5μm 縮減至 26.3μm 深度由 77.6μm 縮減至 18.0μm 。由此可見，對于線刻蝕來說，激光功率的改變對線刻蝕槽深度的影響較大，隨著激光功率增大，線刻蝕槽的深度增大，而其寬度變化不大；隨著掃描速度的增大，線刻蝕槽的寬度及深度均會縮減，且底部錐角變大，出現(xiàn)平坦底面，這也與線刻蝕模型的預測較為貼合。

參考文獻：

[1] 玄真武，侯立，王亨瑞，等.晶體院金剛石六十年研發(fā)[J].人工晶體學 報，2023，52（12）：2094-2107. XUAN Zhenwu，HOU Li，WANG Hengrui， etal. Sixty yearsresearch of diamondsin Sinoma Snythetic Crystals Co.，Itd.[J].Journal of Synthetic Crystals，2023，52（12）：2094-2107.

[2] 李成明，任飛桐，邵思武，等.化學氣相沉積（CVD）金剛石研究現(xiàn)狀和 發(fā)展趨勢[J].人工晶體學報，2022，51（5）：759-780. LIChengming，RENFeitong，SHAO Siwu，etal.Progressofchemical vapordeposition （CVD） diamond [J].Journal of Synthetic Crystals，2022， 51（5）： 759-780.

[3] LIANG Q，YANCS，MENGYF，et al.Recent advances in high-growth rate single-crystal CVD diamond [J]. Diamond and Related Materials， 2009，18（5/6/7/8）： 698-703.

[4]王偉華，賈怡，李振，等.面向航天領域極端環(huán)境應用的金剛石材料及 其器件[J].硅酸鹽學報，2024，52（5）：1778-1788. WANG Weihua， JIA Yi，LI Zhen， et al. Diamond materials and devices for extreme environment applications in aerospace [J]. Journal of the Chinese Ceramic Society，2024，52（5）： 1778-1788.

[5] 吳俊，馬志斌，沈武林.氧回旋離子束刻蝕化學氣相沉積金剛石膜 [J]. 強激光與粒子束，2012，24（10）：2459-2463. WU Jun，MA Zhibin，SHEN Wulin.Etching of CVD diamond films using oxygen cyclotron ion beams [J]. High Power Laser and Particle Beams，2012，24（10）： 2459-2463.

[6] OKHOTNIKOV V V，LINNIK S A，GAYDAYCHUK A V.The research of diamond coatings morphology evolution under the action of reactive ionetching in perpendicular direction[J].Key Engineeing Materials，2016，712：87-92.

[7］葉盛，趙上熳，邢忠福，等.激光技術在金剛石加工中的研究及應用進 展[J].紅外與激光工程，2024，53（2）：44-65. YE Sheng， ZHAO Shangman， XING Zhongfu， et al. Research and application progressof laser technology in diamond processng [J]. Infrared and Laser Engineering，2024，53（2）： 44-65.

[8］汪暉，溫秋玲，黃輝，等.飛秒激光加工CVD單晶金剛石的燒蝕特征 和機理研究[J].光子學報，2023，52（12）：51-65. WANG Hui， WEN Qiuling， HUANG Hui， et al. Ablation characteristics and material removal mechanism of CVD single crystal diamond under femtosecond laser irradiation[J].Acta Photonica Sinica，2023，52（12）：51- 65.

[9] 溫秋玲，韋新宇，王華祿，等.皮秒激光加工CVD 單晶金剛石的特征 和機理研究[J].光子學報，2021，50（6）：126-136. WEN Qiuling，WEI Xinyu，WANG Hualu， et al. Characteristics and mechanism of CVD single crystal diamond processed by picosecond laser[J].Acta Photonica Sinica，2021，50（6）：126-136.

[10]EBERLE G， WEGENER K. Ablation study of WC and PCD composites using 10 picosecond and 1 nanosecond pulse durations at green and infrared wavelengths[J].Physics Procedia，2014，56： 951-962.

[11]OGAWA Y， OTA M， NAKAMOTO K， et al. A study on machining of binder-less polycrystalline diamond by femtosecond pulsed laser for fabrication of micro milling tools [J].CIRP Annals，2016，65（1）：245- 248.

[12]KONONENKO V V， KONONENKO TV，PIMENOV S M， et al. Effect of the pulse duration on graphitisation of diamond during laser ablation [J].QuantumElectronics，2005，35（3）：252-256.

[13］陳妮，閆博，李振軍，等.基于高斯脈沖的激光刻蝕CVD金剛石研究 [J].中國激光，2020，47（12）：127-134. CHEN Ni， YAN Bo，LI Zhenjun，et al. Gaussian pulsed laser etching of CVDdiamonds[J].Chinese Journal ofLasers，2020，47（12）：127-134.

[14]ZHANG Z， ZHANG Q L，WANG Q W， et al. Investigation on the material removal behavior of single crystal diamond by infrared nanosecond pulsed laser ablation [J].Opticsamp;Laser Technology，2020， 126：106086.

[15］俞君，曾智江，朱三根，等.紫外激光在微細加工技術中的優(yōu)勢研究[J]. 紅外，2008，29（6）：9-13，40. YU Jun， ZENG Zhijiang，ZHU Sangen， et al.Research on advantages of UV laser in fine processing technology[J].Infrared，2008，29（6）：9- 13，40.

[16］王孟潔，王菲，張承雙，等.平頂激光輻照CF/PEEK復合材料熔凝過程 有限元仿真[J].激光與光電子學進展，2023，60（13）：257-263. WANG Mengjie，WANG Fei， ZHANG Chengshuang，et al. Study on melting kinetics of CF/PEEK composites irradiated by flat top laser[J]. Laseramp; Optoelectronics Progress，2023，60（13）：257-263.

[17］明興祖，馬玉龍，賈松權，等.能量耦合模型的飛秒激光燒蝕面齒輪形 貌研究[J].激光與紅外，2023，53（1）：41-50. MING Xingzu，MA Yulong，JIA Songquan，etal.Research onsurface gear topography of femtosecond laser ablation based on energy coupling model[J].Laseramp;Infrared，2023，53（1）： 41-50.

[18]MOUHAMADALI F，EQUIS S， SAEIDIF，et al.Nanosecond pulsed laser-processng of CVD diamond [J]. Optics and Lasers in Engineering， 2020，126：105917.

[19］韋新宇，溫秋玲，陸靜，等.紫外納秒激光加工金剛石微槽工藝參數(shù)優(yōu) 化研究[J].中國激光，2022，49（10）：96-106. WEI Xinyu，WENQiuling，LU Jing，et al.Research on parameters optimization ofdiamond microgroovesprocessedby ultravilot nanosecond laser[J].Chinese Journal ofLasers，2022，49（10）：96-106.

[20］王華祿.納秒/皮秒激光燒蝕單晶金剛石材料的微觀特征及去除機理 研究[D].廈門：華僑大學，2021. WANG Hualu.Study on themicro-characteristicsand the material removal mechanism of single-crystal diamondablated by nanosecond and picosecond laser[D].Xiamen：Huaqiao University，2021.

作者簡介

占化斌，男，1983年出生，碩士，高級工程師。主要研究方向：散熱產(chǎn)品設計及制造工藝研究。

E-mail： 254350151@qq.com

通信作者：陳妮，女，1990年出生，副教授，博士生導師。主要研究方向：微細加工、智能制造。

E-mail： ni.chen@nuaa.edu.cn

（編輯：王潔）

Basic research on CVD single crystal diamond processing by UV nanosecond laser

ZHAN Huabin‘， FENG Kaixuan2， CHEN Yupeng3，LI Jing2， WEI Jiawei'， CHEN Jianhui1， HAO Qi1， WAN Changwei1， CHEN Ni2 （1. The 16S1 Research Institute ofChina Electronic Technology Corporation，Hefei230088，China）

（2.College ofMechanical and Electrical Engineering，Nanjing University ofAeronauticsand Astronautics， Nanjing 210016， China） （3. SINOMACH Diamond （Henan） Co.，Ltd.， Zhengzhou 450046， China ）

AbstractObjectives： Chemical vapor deposition （CVD） diamond has excellent material properties and a wide range ofapplicationprospects，butdue toitshighhardnessbritlenessandchemicalinertness，microstructureproceingon the surfaceand inside is extremelydificult.Basedontheadvantagesof high precision，high eficiencyandeasyautomation of laser processng，this paper adopts the ultraviolet nanosecond laser for CVD single diamond etching，and combines the laser line etching energy model with the basic research on the law of laser processing and etching principle. Methods： A UV nanosecond laser is used to carry out basic research on the laws of laser processing and etching principle through theablation threshold test，laser energy modelingand line etching test，scaning electronmicroscopeobservation and energy spectrum analysis test.The purposeofthe ablation threshold test is to obtain a suitable range of processing parameters，set the laser scanning speed of 1mm/s ，the number of scans for1 time，the laser repetition frequency range from 20 to 50kHz with 10kHz increment， and the laser power range from 1.2 to 12.0W with 1.2W increment，and observe the erosion situation by engraved lines.After obtaining a suitable range of processng parameters， a laser energy density model is established in which the main variables are laser power and scaning speed. Changes in the model areobserved by varying different combinations of parameters，andthe processng law is predicted and verified bycombining with the actual line etching test.The test situation is mainly through the scanning electron microscope observation and record test data，one of the line etching groove of the internal and peripheral energy spectrum analysis，through the comparison of elemental changes and combined with the literature on the principle of ablation to cary out certain analysis.Results： From theresultsofthe ablation threshold test， when the laser repetition frequencyis 20kHz ，the etching traces can be produced in the range of power 1.2-12.0W ，when the repetition frequency is 30kHz ， theetching traces startto be produced when the poweris increased to 7.2W ，andwhen the repetition frequencyis40 and 50kHz ，the etching traces are not produced in the range of power 1.2-12.0 W，therefore，in order to obtain stable etching results， fixed the laser repetition frequency of 20kHz in the subsequent line etching test. Therefore， in order to obtain stable etching results， the laser repetition frequency is fixed at 20kHz in the subsequent line etching test， and the results of the line etching test can be see from the side of the CVD diamond，the groove basicaly appears as a“V\" shape，and incombination with the line etching modelofthe laser，the energy densityof the laser shows ahigh distribution inthe middle and low distribution around the edges，i.e.，the centerof the spotis high and the edges are low.Furthermore，theenergyatthecenterofthespotis high，andtheenergyat theedgeislow.Intheone-factor testof power， when the power is 1.2，3.0， 5.4， 10.8W ，the width of the line etching groove is 39.8， 39.8， 41.0， 38.8μm ，and the depth is 35.7， 41.1， 42.1， 57.2μm ， respectively， and the width and depth of the diamond line etching groove increase with the increase of the laser power. In the one-factor test of scanning speed， when the scanning speed is 3，13，21 and 29mm/s ， the widths of the wire-etched grooves are 39.5，39.9，35.6 and 26.3μm ，and the depths are 77.6，37.9，22.3 and 18.0μm and the widthsas well as the depthsof the grooves graduallydecrease with the scaning speed increasing.The results of

EDS analysis showthat，compared withtheunfinishedarea，the proportionsofCelements inthe grooves'interior，sidewalls and peripheralareas show a decrease in the proportionofCelements andan increase in the proportion ofNand O elementscompared to the unprocessed area，and theyare nearly the same.Conclusions： （l） Combined with the line etching energy model，the increase in power leads toanincrease inthe energy densityofthe laser，andat thesame time， the peak energy increases，increasing the degree of ablation of the material，resulting in deepening the depthof the groove，inaddition，when increasing the laser power，the height ofthe model increases more than the increase in the magnitude ofthe edges，and therefore itcan be observed that the width and depth of the diamond line etching groove increases with the increase in laser power，but the impact on the depth is greater than the impact onthe width phenomenon.Scanning speed increase leads to increase the spacing between individual laser pulses，the amount of superposition betweenthe pulses and the superposition area decreases， making the energy at the superposition decreases， which leads to areduction inthe peak valueofthe energy atthe superposition，in addition，the scanning speed increasealso leads to the reductionofthenumberoflaserpulses irradiated intheunitarea，which，under thecombinedefect，reduces the depth of the wire etching groove. （2）EDSanalysis shows that，compared withthe unprocessed area，the C elementcontent intheprocessdarea isreduced，andtheNandOelement content isincreased，soitcanbeinitialyjudgedthatthe mechanism of nanosecond laser processing of single-crystal diamond is the phase transformation of diamond at high temperatures， graphite oxidation，and sputtering of graphite and heterogeneous compounds.

Key wordsUV nanosecond laser; single crystal diamond; laser etching; flat top laser