Laser-"skärning" av diamanter: erövring av det hårdaste materialet med ljus
Diamantär det hårdaste ämnet i naturen, men det är inte bara smycken. Detta material har en värmeledningsförmåga som är fem gånger snabbare än koppar, tål extrem värme och strålning, kan släppa igenom ljus, isolera och kan till och med omvandlas till en halvledare. Det är dock dessa "superkrafter" som gör diamant till det "svåraste" materialet att bearbeta – traditionella verktyg kan antingen inte skära den eller lämna sprickor. Det var inte förrän laserteknikens tillkomst som människor äntligen hittade en nyckel till att erövra denna "materialkung".
Varför kan man laserskära diamanter?
Tänk dig att använda ett förstoringsglas för att fokusera solljuset och antända papper. Principen för laserbearbetning av diamant är liknande, men mer exakt. När en högenergilaserstråle bestrålar diamant sker en mikroskopisk "kolatommetamorfos":
1. Diamant omvandlas till grafit: Laserenergin förändrar diamantens ytstruktur (sp³) till mjukare grafit (sp²), precis som en diamant omedelbart "urartar" till en blyertspenna.
2. Grafit ”avdunstar”: grafitlagret sublimerar vid hög temperatur eller etsas av syre, vilket lämnar exakta bearbetningsmärken. 3. Viktigt genombrott: defekter I teorin kan perfekt diamant endast bearbetas med ultraviolett laser (våglängd <229 nm), men i verkligheten har artificiella diamanter alltid små defekter (såsom föroreningar och korngränser). Dessa defekter är som ”hål” som gör att vanligt grönt ljus (532 nm) eller infraröd laser (1064 nm) kan absorberas. Forskare kan till och med ”kommandera” lasern att rista ett specifikt mönster på diamanten genom att reglera defektfördelningen.
Lasertyp: Utveckling från "ugn" till "iskniv"
Laserbearbetning kombinerar datorstyrda numeriska styrsystem, avancerade optiska system och högprecisions- och automatiserad positionering av arbetsstycken för att bilda ett forsknings- och produktionsbearbetningscenter. Tillämpat på diamantbearbetning kan det uppnå effektiv och högprecisionsbearbetning.
1. Mikrosekundlaserbearbetning Mikrosekundlaserpulsbredden är bred och är vanligtvis lämplig för grovbearbetning. Innan modlåsningstekniken kom till låg laserpulserna mestadels i mikrosekund- och nanosekundintervallet. För närvarande finns det få rapporter om direkt diamantbearbetning med mikrosekundlasrar, och de flesta fokuserar på tillämpningsområdet för backend-bearbetning.
2. Nanosekundlaserbehandling Nanosekundlasrar upptar för närvarande en stor marknadsandel och har fördelarna med god stabilitet, låg kostnad och kort bearbetningstid. De används ofta i företagsproduktion. Nanosekundlaserablationsprocessen är dock termiskt destruktiv för provet, och den makroskopiska manifestationen är att bearbetningen producerar en stor värmepåverkad zon.
3. Pikosekundlaserbehandling Pikosekundlaserbehandling är en process mellan termisk jämviktsablation med nanosekundlaser och kallbehandling med femtosekundlaser. Pulslängden minskas avsevärt, vilket kraftigt minskar skadorna orsakade av den värmepåverkade zonen.
4. Femtosekundlaserbearbetning Ultrasnabb laserteknik ger möjligheter för finbearbetning av diamanter, men de höga kostnaderna och underhållskostnaderna för femtosekundlasrar begränsar marknadsföringen av bearbetningsmetoder. För närvarande befinner sig den mesta relaterade forskningen fortfarande i laboratoriestadiet.
Slutsats
Från att ”inte kunna skära” till att ”skära efter behag” har lasertekniken gjortdiamant inte längre en "vas" instängd i laboratoriet. Med teknikens utveckling kan vi i framtiden få se: diamantflisor som avleder värme i mobiltelefoner, kvantdatorer som använder diamanter för att lagra information, och till och med diamantbiosensorer implanterade i människokroppen... Denna dans av ljus och diamanter förändrar våra liv.