Diamant „sculptat” cu laser: cucerirea celui mai dur material cu ajutorul luminii
Diamanteste cea mai dură substanță din natură, dar nu este vorba doar de bijuterii. Acest material are o conductivitate termică de cinci ori mai rapidă decât cuprul, poate rezista la căldură și radiații extreme, poate transmite lumina, poate izola și poate chiar fi transformat într-un semiconductor. Cu toate acestea, aceste „superputeri” fac din diamant cel mai „dificil” material de prelucrat – uneltele tradiționale fie nu îl pot tăia, fie nu lasă crăpături. Abia odată cu apariția tehnologiei laser, oamenii au găsit în sfârșit o cheie pentru a cuceri acest „rege al materialelor”.
De ce poate fi „tăiat” diamantul cu laser?
Imaginați-vă că folosiți o lupă pentru a focaliza lumina soarelui și a aprinde hârtia. Principiul procesării diamantului cu laser este similar, dar mai precis. Când un fascicul laser de înaltă energie iradiază un diamant, are loc o „metamorfoză microscopică a atomului de carbon”:
1. Diamantul se transformă în grafit: Energia laserului schimbă structura suprafeței diamantului (sp³) într-un grafit mai moale (sp²), la fel cum un diamant „degenerează” instantaneu într-o mină de creion.
2. Grafitul se „evaporă”: stratul de grafit se sublimează la temperatură ridicată sau este gravat cu oxigen, lăsând urme precise de prelucrare. 3. Descoperire cheie: defectele În teorie, diamantul perfect poate fi procesat doar cu laser ultraviolet (lungime de undă <229 nm), dar în realitate, diamantele artificiale au întotdeauna defecte minuscule (cum ar fi impuritățile și limitele granulelor). Aceste defecte sunt ca niște „găuri” care permit absorbția luminii verzi obișnuite (532 nm) sau a laserului infraroșu (1064 nm). Oamenii de știință pot chiar „comanda” laserului să sculpteze un model specific pe diamant prin reglarea distribuției defectelor.
Tipul laserului: Evoluția de la „cuptor” la „cuțit de gheață”
Prelucrarea cu laser combină sistemele de control numeric computerizat, sistemele optice avansate și poziționarea automată și de înaltă precizie a pieselor de prelucrat pentru a forma un centru de cercetare și procesare a producției. Aplicată în prelucrarea diamantelor, aceasta poate realiza o procesare eficientă și de înaltă precizie.
1. Prelucrarea cu laser în microsecunde Lățimea impulsurilor laser în microsecunde este mare și este de obicei potrivită pentru prelucrarea brută. Înainte de apariția tehnologiei de blocare a modurilor, impulsurile laser erau în mare parte în intervalul microsecundelor și nanosecundelor. În prezent, există puține rapoarte despre prelucrarea directă a diamantelor cu lasere în microsecunde, iar majoritatea se concentrează pe domeniul de aplicații al procesării back-end.
2. Prelucrarea cu laser nanosecundă Laserele nanosecundă ocupă în prezent o cotă mare de piață și prezintă avantajele unei bune stabilități, costului redus și timpului scurt de procesare. Sunt utilizate pe scară largă în producția la nivel de întreprinderi. Cu toate acestea, procesul de ablație cu laser nanosecundă este distructiv termic pentru probă, iar manifestarea macroscopică este că procesarea produce o zonă mare afectată termic.
3. Prelucrarea cu laser picosecundă Prelucrarea cu laser picosecundă se situează între ablația de echilibru termic cu laser în nanosecundă și prelucrarea la rece cu laser femtosecundă. Durata impulsului este redusă semnificativ, ceea ce diminuează considerabil daunele cauzate de zona afectată termic.
4. Prelucrarea cu laser femtosecundă Tehnologia laser ultrarapidă oferă oportunități pentru prelucrarea fină a diamantelor, dar costul ridicat și costurile de întreținere ale laserelor femtosecundă limitează promovarea metodelor de prelucrare. În prezent, majoritatea cercetărilor conexe se află în stadiul de laborator.
Concluzie
De la „incapacitatea de a tăia” la „cioplirea după bunul plac”, tehnologia laser a făcutdiamant nu mai este o „vază” prinsă în laborator. Odată cu evoluția tehnologiei, în viitor am putea vedea: cipuri de diamant care disipează căldura în telefoanele mobile, computere cuantice care folosesc diamante pentru a stoca informații și chiar biosenzori de diamant implantați în corpul uman... Acest dans al luminii și diamantelor ne schimbă viața.