Лазерне «різьблення» алмазів: підкорення найтвердішого матеріалу за допомогою світла

Діамантє найтвердішою речовиною в природі, але це не просто ювелірні вироби. Цей матеріал має теплопровідність у п'ять разів вищу, ніж мідь, може витримувати екстремальне нагрівання та радіацію, може пропускати світло, ізолювати і навіть перетворюватися на напівпровідник. Однак саме ці «суперсили» роблять алмаз «найскладнішим» матеріалом для обробки – традиційні інструменти або не можуть його різати, або залишають тріщини. Лише з появою лазерних технологій людство нарешті знайшло ключ до підкорення цього «царя матеріалів».

Чому лазер може «різати» алмаз?

Уявіть, що ви використовуєте збільшувальне скло для фокусування сонячного світла, щоб запалити папір. Принцип лазерної обробки алмазів подібний, але точніший. Коли високоенергетичний лазерний промінь опромінює алмаз, відбувається мікроскопічна «метаморфоза атомів вуглецю»:

1. Алмаз перетворюється на графіт: Лазерна енергія змінює поверхневу структуру алмазу (sp³) на м’якший графіт (sp²), так само, як алмаз миттєво «дегенерує» в грифель олівця.

2. Графіт «випаровується»: шар графіту сублімується за високої температури або травиться киснем, залишаючи точні сліди обробки. 3. Ключовий прорив: дефекти Теоретично, ідеальний алмаз можна обробити лише ультрафіолетовим лазером (довжина хвилі <229 нм), але насправді штучні алмази завжди мають крихітні дефекти (такі як домішки та межі зерен). Ці дефекти подібні до «отворів», які дозволяють поглинатися звичайному зеленому світлу (532 нм) або інфрачервоному лазеру (1064 нм). Вчені можуть навіть «наказати» лазеру вирізати певний візерунок на алмазі, регулюючи розподіл дефектів.

Тип лазера: Еволюція від «печі» до «льодового ножа»

Лазерна обробка поєднує в собі системи числового керування, передові оптичні системи та високоточне й автоматизоване позиціонування заготовок, утворюючи дослідницький та виробничий обробний центр. Застосовуючи її для обробки алмазів, вона може досягти ефективної та високоточної обробки.

1. Мікросекундна лазерна обробка Ширина мікросекундного лазерного імпульсу широка і зазвичай підходить для грубої обробки. До появи технології синхронізації мод лазерні імпульси переважно мали мікросекундний та наносекундний діапазон. Наразі існує мало повідомлень про пряму обробку алмазів за допомогою мікросекундних лазерів, і більшість з них зосереджені на застосуванні для обробки на задній частині.

2. Наносекундна лазерна обробка Наносекундні лазери наразі займають значну частку ринку та мають такі переваги, як хороша стабільність, низька вартість та короткий час обробки. Вони широко використовуються у виробництві підприємств. Однак процес наносекундної лазерної абляції термічно руйнує зразок, а макроскопічним проявом є утворення великої зони термічного впливу в результаті обробки.

3. Пікосекундна лазерна обробка Пікосекундна лазерна обробка знаходиться між наносекундною лазерною термічною рівноважною абляцією та фемтосекундною лазерною холодною обробкою. Тривалість імпульсу значно скорочується, що значно зменшує пошкодження, спричинені зоною термічного впливу.

4. Фемтосекундна лазерна обробка. Надшвидкісна лазерна технологія відкриває можливості для тонкої обробки алмазів, але висока вартість та витрати на обслуговування фемтосекундних лазерів обмежують просування методів обробки. Наразі більшість відповідних досліджень залишаються на лабораторному етапі.

Висновок

Лазерна технологія перетворила процес «різання» на «вирізання за бажанням»діамант вже не «ваза», замкнена в лабораторії. З розвитком технологій у майбутньому ми можемо побачити: алмазні крихти, що розсіюють тепло в мобільних телефонах, квантові комп’ютери, що використовують алмази для зберігання інформації, і навіть алмазні біосенсори, імплантовані в людське тіло… Цей танець світла та алмазів змінює наше життя.