构建了高斯脉冲激光线刻蚀能量密度分布模型,研究了激光功率和脉冲数对化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)金刚石表面上的点/线尺寸的影响规律,得到了能量在材料表面的扩散机理及刻蚀面组分,并在此基础上进行了激光面刻蚀。结果表明:高斯单脉冲激光作用下刻蚀轮廓近似为高斯曲面,间接证明了激光束在材料表面作用的能量呈高斯分布,且刻蚀面由金刚石、石墨和杂化物质构成,CVD金刚石表面的脉冲点刻蚀深度和宽度都随着激光功率和脉冲数的增大而增大。激光功率对CVD金刚石表面线刻蚀程度的影响较大,当功率值增大12W时,刻蚀宽度和侧面扫入深度分别增大23.32μm和346.04μm;激光扫描速度则对CVD金刚石表面线刻蚀程度的影响相对较小,当扫描速度增大49.8mm/s时,刻蚀宽度和侧面扫入深度分别减小了6.35μm和70μm。在功率为3W、扫描速度为50mm/s和扫描间距为2μm的条件下进行了激光面刻蚀,刻蚀深度为9.71μm,表面粗糙度为1.10μm。

红外光谱分析可以有效地厘定金刚石类型和杂质成分, 揭示金刚石形成的物理化学条件及其源区特征, 约束金刚石的形成机制。 对湖南现代河流砂矿金刚石红外光谱原位分析结果显示, 样品以ⅠaAB型为主(93%), 含有少量ⅠaA型(5%)、 ⅠaB型(<1%)和Ⅱa型(1%); 大部分表现为中-低氮含量(35.0~436 μg·g-1)和中-低氮聚集度(3%~57%, 平均转化率为37%), 少数具有高氮特征(517~2 848 μg·g-1, 甚至高达6 829 μg·g-1)。 这些金刚石在地幔中的存储温度集中在1 100~1 230 ℃, 与前人根据金刚石内包裹体矿物得出的形成温度基本一致。 此外, 它们在地幔中的存储时间普遍较短(大部分<0.2 Ga)。 这些特点暗示湖南现代河流砂矿的金刚石可能主要形成于上地幔, 其来源与超基性岩或榴辉岩有关; 少数高氮含量、 低聚集氮特征的金刚石的存在则显示它们与榴辉岩关系更密切。 与扬子克拉通贵州原生金刚石红外光谱数据的对比显示, 贵州金刚石以高比例极低氮含量的Ⅱa型金刚石为主(占约75%), 同时具有破碎度大、 表面熔蚀强烈等特点, 表明其来源较深, 且在岩浆上升过程中经历了高温熔蚀作用。 红外光谱数据显示, 湖南砂矿和贵州原生矿来源的金刚石形成深度及其地球化学环境存在明显的差异, 可能是在扬子克拉通地幔不同深度范围或者不同阶段形成的产物。 进一步分析表明, 湖南砂矿金刚石和贵州原生金刚石可能构成了扬子克拉通内一个完整的金刚石形成序列, 它们分别与不同源区或不同的地球化学环境相对应。 前者搬运距离较短, 推测其源区可能主要来自近源补给区。 现代河流砂矿金刚石的红外光谱分析为进一步探索扬子克拉通金刚石的源区特征和形成环境提供了新的指示和约束。

石墨是天然金刚石中最常见的包裹体之一, 按其形成顺序可分为原生、 同生、 次生, 原生/同生与次生石墨包裹体的存在指示了金刚石形成的环境及形成后可能经历的变化。 对湖南沅水流域产出的13粒宝石级-半宝石级砂矿金刚石中的原生/同生石墨包裹体及次生石墨包裹体进行显微激光拉曼光谱的原位测试。 测试显示, 湖南沅水流域金刚石中原生/同生石墨包裹体与次生石墨包裹体的G带与D带拉曼位移均存在漂移, 其中原生/同生石墨包裹体G带的漂移范围为1 591～1 600 cm-1, 次生石墨的漂移范围为1 575～1 588 cm-1, 显示其形成压力较低, 结晶压力变化范围大。 原生/同生石墨漂移程度估算出该区域压力范围为4.01～5.88 GPa, 估算结果与利用橄榄石包裹体拉曼位移估算的源区压力范围基本一致。 该区域内金刚石中原生/同生石墨包裹体的D带拉曼位移在1 350～1 368 cm-1之间, D带与G带的强度比(ID/IG值)值位于0.36～0.82之间, 具有较低有序度结构/结晶程度与橄榄岩型金刚石的高结晶度石墨明显不同指示该区域部分砂矿来源的金刚石的形成深度较浅, 成因与榴辉岩关系更为密切, 形成过程极可能曾位于石墨-金刚石稳定域附近。 研究结果表明, 金刚石石墨包裹体拉曼位移的漂移程度可成为探索金刚石原生源区形成环境的有效方法之一。

扬子克拉通西部刻面状金刚石多晶的微区显微红外光谱研究结果表明, 多晶以IaAB型为主, 其中的氮含量变化较大, 介于25.70～358.35 μg·g-1之间, 且同一多晶的不同晶粒中的氮含量有明显差异。 金刚石中的“A氮心→B氮心”聚集转变不完全, 且B%集中在40%左右, 未见C氮心; 多晶不是在金刚石的成核阶段所形成的, 而是在各个金刚石晶粒形成后在地幔储藏期间聚集在一起的。 其形成环境较华北克拉通东部的山东蒙阴刻面状金刚石多晶更为复杂; 多晶极可能形成于地幔深部160～180 km的范围内, 达到扬子克拉通的核部深度, 接近于岩石圈底部, 为地幔深源成因; 多晶中的sp2杂化C—H键的存在有利于片晶氮的形成, 其浓度一般要高于sp3杂化C—H键的浓度。

产于湖南沅水地区的十颗砂矿金刚石的红外光谱和拉曼光谱的研究结果表明: 湖南砂矿金刚石多为ⅠaAB型, 且往往表现为A型氮相对富集; 金刚石中的氮含量介于38.30～840.67 μg·g-1之间, 且不同金刚石晶体中氮含量差别极大; 金刚石在地幔中的存储时间介于0.043～3.315 Ga之间, 不同的样品在地幔中的存储时间相差较大, 且最长存储时间（3.315 Ga）要大于湘鄂黔桂毗邻区最老岩体的年龄（3.285 Ga）; 湖南砂矿金刚石在其形成过程中经历过较为显著的环境变化, 且菱形十二面体金刚石晶体的形成深度大于八面体金刚石晶体。