«Σκαλίζοντας» διαμάντι με λέιζερ: κατακτώντας το πιο σκληρό υλικό με το φως
Διαμάντιείναι η πιο σκληρή ουσία στη φύση, αλλά δεν είναι μόνο κόσμημα. Αυτό το υλικό έχει θερμική αγωγιμότητα πέντε φορές ταχύτερη από τον χαλκό, μπορεί να αντέξει σε ακραία θερμότητα και ακτινοβολία, μπορεί να μεταδώσει φως, να μονώσει και μπορεί ακόμη και να μετατραπεί σε ημιαγωγό. Ωστόσο, αυτές οι «υπερδυνάμεις» καθιστούν το διαμάντι το «πιο δύσκολο» υλικό στην επεξεργασία - τα παραδοσιακά εργαλεία είτε δεν μπορούν να το κόψουν είτε αφήνουν ρωγμές. Μόνο μέχρι την έλευση της τεχνολογίας λέιζερ οι άνθρωποι βρήκαν τελικά το κλειδί για να κατακτήσουν αυτόν τον «βασιλιά των υλικών».
Γιατί μπορεί το λέιζερ να «κόψει» το διαμάντι;
Φανταστείτε να χρησιμοποιείτε έναν μεγεθυντικό φακό για να εστιάσετε το ηλιακό φως ώστε να ανάψει το χαρτί. Η αρχή της επεξεργασίας με λέιζερ του διαμαντιού είναι παρόμοια, αλλά πιο ακριβής. Όταν μια δέσμη λέιζερ υψηλής ενέργειας ακτινοβολεί το διαμάντι, συμβαίνει μια μικροσκοπική «μεταμόρφωση ατόμου άνθρακα»:
1. Το διαμάντι μετατρέπεται σε γραφίτη: Η ενέργεια λέιζερ μετατρέπει την επιφανειακή δομή του διαμαντιού (sp³) σε μαλακότερο γραφίτη (sp²), όπως ακριβώς ένα διαμάντι «εκφυλίζεται» αμέσως σε μια μύτη μολυβιού.
2. Ο γραφίτης «εξατμίζεται»: το στρώμα γραφίτη εξαχνώνεται σε υψηλή θερμοκρασία ή χαράσσεται με οξυγόνο, αφήνοντας ακριβή σημάδια επεξεργασίας. 3. Βασική ανακάλυψη: ελαττώματα Θεωρητικά, το τέλειο διαμάντι μπορεί να υποβληθεί σε επεξεργασία μόνο με υπεριώδες λέιζερ (μήκος κύματος <229 nm), αλλά στην πραγματικότητα, τα τεχνητά διαμάντια έχουν πάντα μικροσκοπικά ελαττώματα (όπως ακαθαρσίες και όρια κόκκων). Αυτά τα ελαττώματα είναι σαν «οπές» που επιτρέπουν την απορρόφηση του συνηθισμένου πράσινου φωτός (532 nm) ή του υπέρυθρου λέιζερ (1064 nm). Οι επιστήμονες μπορούν ακόμη και να «εντολοδοτήσουν» το λέιζερ να χαράξει ένα συγκεκριμένο μοτίβο στο διαμάντι ρυθμίζοντας την κατανομή των ελαττωμάτων.
Τύπος λέιζερ: Εξέλιξη από «φούρνο» σε «μαχαίρι πάγου»
Η επεξεργασία με λέιζερ συνδυάζει συστήματα αριθμητικού ελέγχου υπολογιστών, προηγμένα οπτικά συστήματα και υψηλής ακρίβειας και αυτοματοποιημένη τοποθέτηση τεμαχίων για να σχηματίσει ένα κέντρο επεξεργασίας έρευνας και παραγωγής. Εφαρμοσμένη στην επεξεργασία διαμαντιών, μπορεί να επιτύχει αποτελεσματική και υψηλής ακρίβειας επεξεργασία.
1. Επεξεργασία με λέιζερ μικροδευτερολέπτων Το πλάτος παλμού λέιζερ μικροδευτερολέπτων είναι μεγάλο και συνήθως κατάλληλο για ακατέργαστη επεξεργασία. Πριν από την εμφάνιση της τεχνολογίας κλειδώματος λειτουργίας, οι παλμοί λέιζερ ήταν κυρίως στην περιοχή των μικροδευτερολέπτων και των νανοδευτερολέπτων. Προς το παρόν, υπάρχουν λίγες αναφορές για την άμεση επεξεργασία διαμαντιών με λέιζερ μικροδευτερολέπτων και οι περισσότερες από αυτές επικεντρώνονται στον τομέα εφαρμογών επεξεργασίας back-end.
2. Επεξεργασία με λέιζερ νανοδευτερολέπτων Τα λέιζερ νανοδευτερολέπτων καταλαμβάνουν σήμερα μεγάλο μερίδιο αγοράς και έχουν τα πλεονεκτήματα της καλής σταθερότητας, του χαμηλού κόστους και του σύντομου χρόνου επεξεργασίας. Χρησιμοποιούνται ευρέως στην επιχειρησιακή παραγωγή. Ωστόσο, η διαδικασία αφαίρεσης με λέιζερ νανοδευτερολέπτων είναι θερμικά καταστροφική για το δείγμα και η μακροσκοπική εκδήλωση είναι ότι η επεξεργασία παράγει μια μεγάλη θερμικά επηρεασμένη ζώνη.
3. Επεξεργασία με λέιζερ πικοδευτερολέπτων Η επεξεργασία με λέιζερ πικοδευτερολέπτων είναι μεταξύ θερμικής ισορροπίας αφαίρεσης με λέιζερ νανοδευτερολέπτων και ψυχρής επεξεργασίας με λέιζερ φεμτοδευτερολέπτων. Η διάρκεια του παλμού μειώνεται σημαντικά, γεγονός που μειώνει σημαντικά τη ζημιά που προκαλείται από τη ζώνη που επηρεάζεται από τη θερμότητα.
4. Επεξεργασία με femtosecond laser Η τεχνολογία υπερταχείας λέιζερ προσφέρει ευκαιρίες για επεξεργασία λεπτών διαμαντιών, αλλά το υψηλό κόστος και το κόστος συντήρησης των femtosecond laser περιορίζουν την προώθηση των μεθόδων επεξεργασίας. Προς το παρόν, η περισσότερη σχετική έρευνα βρίσκεται στο εργαστηριακό στάδιο.
Σύναψη
Από το «αδυναμία κοπής» στο «σκάλισμα κατά βούληση», η τεχνολογία λέιζερ έχει κάνειδιαμάντι δεν είναι πλέον ένα «βάζο» παγιδευμένο στο εργαστήριο. Με την εξέλιξη της τεχνολογίας, στο μέλλον μπορεί να δούμε: τσιπς διαμαντιών να διαχέουν θερμότητα σε κινητά τηλέφωνα, κβαντικούς υπολογιστές που χρησιμοποιούν διαμάντια για την αποθήκευση πληροφοριών, ακόμη και βιοαισθητήρες διαμαντιών εμφυτευμένους στο ανθρώπινο σώμα... Αυτός ο χορός φωτός και διαμαντιών αλλάζει τη ζωή μας.