Laser-"skjæring" av diamanter: erobre det hardeste materialet med lys

Diamanter det hardeste stoffet i naturen, men det er ikke bare smykker. Dette materialet har en varmeledningsevne som er fem ganger raskere enn kobber, tåler ekstrem varme og stråling, kan overføre lys, isolere og kan til og med omdannes til en halvleder. Det er imidlertid disse «superkreftene» som gjør diamant til det «vanskeligste» materialet å bearbeide – tradisjonelle verktøy kan enten ikke skjære i den eller etterlate sprekker. Det var ikke før laserteknologiens fremvekst at mennesker endelig fant en nøkkel til å erobre denne «kongen av materialer».

Hvorfor kan man laserskjære diamanter?

Tenk deg å bruke et forstørrelsesglass til å fokusere sollyset for å antenne papir. Prinsippet for laserbehandling av diamanter er likt, men mer presist. Når en høyenergilaserstråle bestråler diamanter, skjer en mikroskopisk «karbonatommetamorfose»:

1. Diamant blir til grafitt: Laserenergien endrer overflatens diamantstruktur (sp³) til mykere grafitt (sp²), akkurat som en diamant umiddelbart «degenererer» til en blyantstift.

2. Grafitt «fordampes»: grafittlaget sublimerer ved høy temperatur eller etses av oksygen, og etterlater presise bearbeidingsmerker. 3. Viktig gjennombrudd: defekter I teorien kan perfekt diamant bare bearbeides med ultrafiolett laser (bølgelengde <229 nm), men i virkeligheten har kunstige diamanter alltid små defekter (som urenheter og korngrenser). Disse defektene er som «hull» som lar vanlig grønt lys (532 nm) eller infrarød laser (1064 nm) absorberes. Forskere kan til og med «kommandere» laseren til å skjære et spesifikt mønster på diamanten ved å regulere defektfordelingen.

Lasertype: Evolusjon fra «ovn» til «iskniv»

Laserprosessering kombinerer numeriske styringssystemer for datamaskiner, avanserte optiske systemer og høypresisjons og automatisert arbeidsstykkeposisjonering for å danne et forsknings- og produksjonssenter. Anvendt på diamantprosessering kan det oppnå effektiv og høypresisjonsprosessering.

1. Mikrosekundlaserprosessering Mikrosekundlaserpulsbredden er bred og er vanligvis egnet for grovprosessering. Før fremveksten av moduslåseteknologi var laserpulser hovedsakelig i mikrosekund- og nanosekundområdet. For tiden finnes det få rapporter om direkte diamantprosessering med mikrosekundlasere, og de fleste fokuserer på bruksområdet for backend-prosessering.

2. Nanosekundlaserbehandling Nanosekundlasere har for tiden en stor markedsandel og har fordelene med god stabilitet, lave kostnader og kort behandlingstid. De er mye brukt i bedriftsproduksjon. Imidlertid er nanosekundlaserablasjonsprosessen termisk ødeleggende for prøven, og den makroskopiske manifestasjonen er at behandlingen produserer en stor varmepåvirket sone.

3. Pikosekundlaserbehandling Pikosekundlaserbehandling er en forskjell mellom termisk likevektsablasjon med nanosekundlaser og kaldbehandling med femtosekundlaser. Pulsvarigheten reduseres betydelig, noe som reduserer skaden forårsaket av den varmepåvirkede sonen betraktelig.

4. Femtosekundlaserbehandling Ultrahurtig laserteknologi gir muligheter for finbearbeiding av diamanter, men de høye kostnadene og vedlikeholdskostnadene for femtosekundlasere begrenser markedsføringen av behandlingsmetoder. For tiden er mesteparten av relatert forskning fortsatt på laboratoriestadiet.

Konklusjon

Fra «ikke i stand til å skjære» til «skjære etter eget ønske» har laserteknologi gjortdiamant ikke lenger en «vase» fanget i laboratoriet. Med teknologiens utvikling kan vi i fremtiden se: diamantbrikker som avleder varme i mobiltelefoner, kvantedatamaskiner som bruker diamanter til å lagre informasjon, og til og med diamantbiosensorer implantert i menneskekroppen ... Denne dansen av lys og diamanter forandrer livene våre.