„Rzeźbienie” diamentu laserem: podbijanie najtwardszego materiału światłem
DiamentDiament jest najtwardszą substancją w przyrodzie, ale nie służy tylko do wyrobu biżuterii. Materiał ten charakteryzuje się pięciokrotnie szybszym przewodnictwem cieplnym niż miedź, jest odporny na ekstremalne temperatury i promieniowanie, może przepuszczać światło, izolować, a nawet przekształcić się w półprzewodnik. Jednak to właśnie te „supermoce” sprawiają, że diament jest „najtrudniejszym” materiałem w obróbce – tradycyjne narzędzia albo nie potrafią go przeciąć, albo pozostawiają pęknięcia. Dopiero pojawienie się technologii laserowej pozwoliło ludziom w końcu znaleźć klucz do podboju tego „króla materiałów”.
Dlaczego laser może „ciąć” diament?
Wyobraź sobie, że używasz lupy, aby skupić światło słoneczne i zapalić papier. Zasada laserowej obróbki diamentu jest podobna, ale bardziej precyzyjna. Kiedy wysokoenergetyczna wiązka laserowa naświetla diament, zachodzi mikroskopijna „metamorfoza atomów węgla”:
1. Diament zamienia się w grafit: Energia lasera zmienia strukturę powierzchni diamentu (sp³) w bardziej miękki grafit (sp²), podobnie jak diament natychmiast „degeneruje się” w grafit ołówkowy.
2. Grafit jest „odparowywany”: warstwa grafitu sublimuje w wysokiej temperaturze lub jest trawiona tlenem, pozostawiając precyzyjne ślady obróbki. 3. Kluczowy przełom: defekty Teoretycznie idealny diament można obrabiać jedynie laserem ultrafioletowym (długość fali <229 nm), ale w rzeczywistości sztuczne diamenty zawsze mają drobne defekty (takie jak zanieczyszczenia i granice ziaren). Defekty te przypominają „otwory”, które pozwalają na absorpcję zwykłego światła zielonego (532 nm) lub lasera podczerwonego (1064 nm). Naukowcy mogą nawet „polecić” laserowi wyrzeźbienie określonego wzoru na diamencie, regulując rozkład defektów.
Typ lasera: Ewolucja od „pieca” do „noża lodowego”
Obróbka laserowa łączy komputerowe systemy sterowania numerycznego, zaawansowane systemy optyczne oraz wysoce precyzyjne i zautomatyzowane pozycjonowanie przedmiotu obrabianego, tworząc centrum badawczo-produkcyjne. Zastosowana w obróbce diamentów, pozwala osiągnąć wydajność i wysoką precyzję obróbki.
1. Mikrosekundowa obróbka laserowa. Mikrosekundowa szerokość impulsu lasera jest szeroka i zazwyczaj nadaje się do obróbki zgrubnej. Przed pojawieniem się technologii synchronizacji modów, impulsy laserowe miały głównie długość rzędu mikrosekund i nanosekund. Obecnie istnieje niewiele doniesień na temat bezpośredniej obróbki diamentów za pomocą laserów mikrosekundowych, a większość z nich koncentruje się na zastosowaniach w przetwarzaniu wstecznym.
2. Obróbka laserem nanosekundowym. Lasery nanosekundowe zajmują obecnie duży udział w rynku i charakteryzują się dobrą stabilnością, niskim kosztem i krótkim czasem obróbki. Są szeroko stosowane w produkcji przemysłowej. Jednakże proces ablacji laserowej nanosekundowej jest termicznie destrukcyjny dla próbki, a makroskopowym objawem jest powstawanie dużej strefy wpływu ciepła.
3. Obróbka laserem pikosekundowym. Obróbka laserem pikosekundowym plasuje się pomiędzy nanosekundową ablacją termiczną lasera a obróbką na zimno laserem femtosekundowym. Czas trwania impulsu jest znacznie skrócony, co znacznie zmniejsza uszkodzenia spowodowane przez strefę wpływu ciepła.
4. Obróbka laserem femtosekundowym. Ultraszybka technologia laserowa stwarza możliwości precyzyjnej obróbki diamentów, ale wysoki koszt i koszty utrzymania laserów femtosekundowych ograniczają rozwój tych metod obróbki. Obecnie większość badań w tym zakresie pozostaje w fazie laboratoryjnej.
Wniosek
Od „niemożności cięcia” do „rzeźbienia według woli” – technologia laserowadiament Nie jest już „wazonem” uwięzionym w laboratorium. Wraz z rozwojem technologii, w przyszłości możemy zobaczyć: diamentowe chipy rozpraszające ciepło w telefonach komórkowych, komputery kwantowe wykorzystujące diamenty do przechowywania informacji, a nawet diamentowe biosensory wszczepiane w ludzkie ciało… Ten taniec światła i diamentów zmienia nasze życie.