单晶金刚石（SCD）被认为是一种高性能的半导体基底材料[1]，具有优异的耐磨性[2]、高机械强度[3]、超高的热导率[4]和宽的带隙[5]。因此，SCD已广泛应用于航空航天[6]、医疗设备[7]、精密切削工具[8]、光学仪器[9]和半导体技术[10]领域。然而，由于SCD的极端硬度和脆性[11]，传统的机械加工方法常常面临严重的工具磨损[13]和加工质量不稳定[14]问题，难以获得满足严格要求的高质量和高精度的SCD表面[15]。因此，SCD的性能和应用受到传统加工技术的限制。
近年来，由于超快激光的极短脉冲持续时间和极高的峰值功率[17]，可以实现高精度的材料去除[16]，并且在加工过程中产生的热影响区极小[18]。因此，有效抑制了热损伤和微裂纹的形成，显著提高了SCD的表面烧蚀质量[19]。因此，超快激光加工被认为是制造SCD上高精度微纳结构的重要方法。因此，全面理解超快激光烧蚀下SCD的能量传递和结构演变的微观机制对于阐明烧蚀机制和提高加工效率具有重要意义。
为了阐明超快激光与金刚石之间的微观相互作用机制，已经进行了大量的实验研究[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。通过飞秒激光加工，在低和高能量密度下确定了SCD的烧蚀阈值[20]。进一步分析了SCD表面形态随激光功率变化的情况。研究发现，不同脉冲持续时间的超快激光对其烧蚀阈值和表面形态有显著影响[21]，当激光脉冲持续时间从3 ps减少到300 fs时，SCD的烧蚀阈值降低了75%。同时，研究了多脉冲超快激光照射下金刚石表面的石墨化过程[22]，并建立了激光影响层厚度与脉冲持续时间之间的功能关系，以及照射波长对激光影响层的影响。此外，还使用脉冲持续时间为104 fs、波长为800 nm的飞秒激光对金刚石进行了加工[23]，研究了平均激光功率和加工时间对金刚石烧蚀尺寸和表面质量的影响。在多脉冲飞秒激光照射下观察到了SCD表面形成的周期性结构[24]。在高激光能量密度烧蚀下，SCD表面也观察到了一些裂纹[24]。
上述研究表明，通过宏观尺度的实验研究可以揭示不同激光加工参数下金刚石的表面形态、表面结构和烧蚀阈值。然而，现有研究中仍难以在原子尺度上完全阐明超快激光与金刚石之间的微观相互作用机制。
为了弥补实验方法的局限性，引入了数值模拟来研究超快激光与金刚石之间的微观相互作用机制。研究表明，SCD表面的光学响应和激光照射下的电子-晶格能量耦合过程可以用双温度模型（TTM）[25]来描述，揭示了电子系统在几百飞秒内迅速加热，并在几十皮秒内与晶格达到热平衡。同时，使用分子动力学（MD）模拟表征了激光烧蚀后金刚石的微观结构演变[26]。研究表明，激光烧蚀后的金刚石由四种具有不同结构的晶格区域组成，其中烧蚀表面的顶层由含有大量空位的非晶碳组成。此外，还使用耦合的双温度模型和分子动力学（TTM-MD）方法模拟了超快激光与SCD之间的微观机制[27,28]。通过这种方法，可以同时揭示SCD中电子与晶格之间的能量交换过程和微观烧蚀特性。
总体而言，上述研究提供了关于单脉冲超快激光诱导的金刚石烧蚀微观机制的初步见解，并部分揭示了激光光子与金刚石电子-晶格系统之间的相互作用以及温度对烧蚀行为的影响。然而，由于单脉冲激光照射在金刚石上的能量沉积时间极短，金刚石的电子系统迅速加热，大部分激光能量以热扩散或反射的形式耗散[29]。因此，单脉冲超快激光加工金刚石的效率较低，实际应用中激光能量的利用不足。
相比之下，通过控制能量密度比和脉冲延迟时间[30]，双脉冲超快激光可以实现更高的加工效率，从而更有效地利用激光能量[30]。研究表明，使用双脉冲超快激光加工半导体和金属材料时，适当的能量密度比和脉冲延迟时间可以显著提高材料的烧蚀效率[31]、[32]、[33]、[34]、[35]。使用脉冲延迟时间为30-150 ps的双脉冲激光，铜的烧蚀深度和效率可以提高[31]。与相同总能量的单脉冲激光相比，双脉冲激光烧蚀下硅的材料去除率显著提高[32]。在低至中等能量密度下观察到明显的烧蚀增强效应，而在高能量密度下由于等离子体屏蔽作用，烧蚀效率降低。此外，不同脉冲延迟时间的双脉冲激光对镍的烧蚀行为有不同的影响，低-高能量密度比组合表现出更好的烧蚀效率[33]。使用能量密度比为1:9、延迟时间为4 ps的双脉冲配置获得了更大更深的烧蚀坑[33]。然而，当脉冲延迟时间超过电子-晶格松弛时间时，观察到第二脉冲的再加热效应减弱，烧蚀强度甚至可能低于单脉冲照射[34]。此外，双脉冲激光显著增加了SCD的烧蚀深度并提高了加工质量[35]。
尽管如此，关于双脉冲超快激光与金刚石之间相互作用的微观机制的系统研究仍然缺乏，特别是关于双脉冲激光光子与金刚石的电子和晶格系统之间的能量传递，以及不同晶格温度对原子烧蚀行为的影响。
因此，本研究使用TTM和MD方法研究了双脉冲飞秒激光烧蚀SCD的微观机制。分析了SCD的电子和晶格系统之间的能量传递，以及晶格温度对原子烧蚀特性的影响。使用TTM模拟了SCD中电子和晶格的温度分布。通过MD研究了不同激光参数（能量密度比、脉冲延迟时间和波长）下SCD的微观烧蚀过程。进一步分析和比较了单脉冲和双脉冲飞秒激光烧蚀SCD的烧蚀机制、材料去除和应力演变。
