Lasersko "rezbarjenje" diamanta: premagovanje najtršega materiala s svetlobo
Diamantje najtrša snov v naravi, vendar ni samo nakit. Ta material ima toplotno prevodnost petkrat hitrejšo od bakra, lahko prenese ekstremno vročino in sevanje, lahko prepušča svetlobo, izolira in se lahko celo pretvori v polprevodnik. Vendar pa so prav te "supermoči" tiste, zaradi katerih je diamant "najtežji" material za obdelavo – tradicionalna orodja ga ne morejo rezati ali pustiti razpok. Šele s pojavom laserske tehnologije so ljudje končno našli ključ do osvojitve tega "kralja materialov".
Zakaj lahko laser "reže" diamant?
Predstavljajte si, da s povečevalnim steklom fokusirate sončno svetlobo in vžgete papir. Načelo laserske obdelave diamantov je podobno, vendar natančnejše. Ko visokoenergijski laserski žarek obseva diamant, pride do mikroskopske "metamorfoze ogljikovih atomov":
1. Diamant se spremeni v grafit: Laserska energija spremeni površinsko strukturo diamanta (sp³) v mehkejši grafit (sp²), tako kot se diamant v trenutku »degenerira« v mino za svinčnik.
2. Grafit se »izhlapi«: grafitna plast sublimira pri visoki temperaturi ali pa jo jedka kisik, kar pušča natančne sledi obdelave. 3. Ključni preboj: napake Teoretično je mogoče popoln diamant obdelati le z ultravijoličnim laserjem (valovna dolžina <229 nm), v resnici pa imajo umetni diamanti vedno drobne napake (kot so nečistoče in meje zrn). Te napake so kot »luknje«, ki omogočajo absorpcijo navadne zelene svetlobe (532 nm) ali infrardečega laserja (1064 nm). Znanstveniki lahko laserju celo »ukažejo«, naj na diamantu izrezlja določen vzorec z uravnavanjem porazdelitve napak.
Vrsta laserja: Razvoj od "peči" do "noža za led"
Laserska obdelava združuje računalniške numerične krmilne sisteme, napredne optične sisteme ter visoko natančno in avtomatizirano pozicioniranje obdelovancev v raziskovalni in proizvodni obdelovalni center. Z uporabo pri obdelavi diamantov lahko doseže učinkovito in visoko natančno obdelavo.
1. Mikrosekundna laserska obdelava Širina mikrosekundnega laserskega impulza je široka in je običajno primerna za grobo obdelavo. Pred pojavom tehnologije zaklepanja modov so bili laserski impulzi večinoma v mikrosekundnem in nanosekundnem območju. Trenutno je malo poročil o neposredni obdelavi diamantov z mikrosekundnimi laserji, večina pa se osredotoča na področje uporabe zaledne obdelave.
2. Obdelava z nanosekundnim laserjem Nanosekundni laserji trenutno zasedajo velik tržni delež in imajo prednosti dobre stabilnosti, nizkih stroškov in kratkega časa obdelave. Široko se uporabljajo v podjetniški proizvodnji. Vendar pa je postopek ablacije z nanosekundnim laserjem termično uničuje vzorec, makroskopska manifestacija pa je, da obdelava ustvari veliko območje, ki ga prizadene toplota.
3. Obdelava s pikosekundnim laserjem Obdelava s pikosekundnim laserjem je med nanosekundno lasersko termično ravnotežno ablacijo in femtosekundno lasersko hladno obdelavo. Trajanje impulza je znatno skrajšano, kar močno zmanjša škodo, ki jo povzroči toplotno prizadeto območje.
4. Obdelava s femtosekundnim laserjem Ultrahitra laserska tehnologija prinaša možnosti za fino obdelavo diamantov, vendar visoki stroški in stroški vzdrževanja femtosekundnih laserjev omejujejo promocijo metod obdelave. Trenutno večina s tem povezanih raziskav ostaja v laboratorijski fazi.
Zaključek
Laserska tehnologija je od "nezmožnosti rezanja" spremenila v "rezbarjenje po mili volji"diamant ni več »vaza«, ujeta v laboratoriju. Z razvojem tehnologije bomo v prihodnosti morda videli: diamantne drobce, ki odvajajo toploto v mobilnih telefonih, kvantne računalnike, ki uporabljajo diamante za shranjevanje informacij, in celo diamantne biosenzorje, vsajene v človeško telo ... Ta ples svetlobe in diamantov spreminja naša življenja.