Laser-"udskæring" af diamanter: at besejre det hårdeste materiale med lys
Diamanter det hårdeste stof i naturen, men det er ikke bare smykker. Dette materiale har en varmeledningsevne, der er fem gange hurtigere end kobber, kan modstå ekstrem varme og stråling, kan transmittere lys, isolere og kan endda omdannes til en halvleder. Det er dog disse "superkræfter", der gør diamant til det "sværeste" materiale at bearbejde – traditionelle værktøjer kan enten ikke skære i det eller efterlade revner. Det var først med laserteknologiens fremkomst, at mennesker endelig fandt en nøgle til at erobre denne "konge af materialer".
Hvorfor kan man laser-"skære" diamanter?
Forestil dig at bruge et forstørrelsesglas til at fokusere sollyset for at antænde papir. Princippet for laserbehandling af diamanter er det samme, men mere præcist. Når en højenergilaserstråle bestråler diamanter, sker der en mikroskopisk "kulstofatommetamorfose":
1. Diamant bliver til grafit: Laserenergien ændrer diamantens overfladestruktur (sp³) til blødere grafit (sp²), ligesom en diamant øjeblikkeligt "degenererer" til en blyantstift.
2. Grafit "fordampes": grafitlaget sublimerer ved høj temperatur eller ætses af ilt, hvilket efterlader præcise bearbejdningsmærker. 3. Nøglegennembrud: defekter I teorien kan en perfekt diamant kun bearbejdes med ultraviolet laser (bølgelængde <229 nm), men i virkeligheden har kunstige diamanter altid små defekter (såsom urenheder og korngrænser). Disse defekter er som "huller", der tillader almindeligt grønt lys (532 nm) eller infrarød laser (1064 nm) at blive absorberet. Forskere kan endda "kommandere" laseren til at udskære et specifikt mønster på diamanten ved at regulere defektfordelingen.
Lasertype: Udvikling fra "ovn" til "iskniv"
Laserbehandling kombinerer computernumeriske styresystemer, avancerede optiske systemer og højpræcisions- og automatiseret emnepositionering for at danne et forsknings- og produktionscenter. Anvendt til diamantbearbejdning kan det opnå effektiv og højpræcisionsbehandling.
1. Mikrosekundlaserbehandling Mikrosekundlaserpulsbredden er bred og er normalt egnet til grovbearbejdning. Før fremkomsten af mode locking-teknologi var laserpulser hovedsageligt i mikrosekund- og nanosekundområdet. I øjeblikket er der få rapporter om direkte diamantbearbejdning med mikrosekundlasere, og de fleste af dem fokuserer på backend-behandlingsapplikationer.
2. Nanosekundlaserbehandling Nanosekundlasere optager i øjeblikket en stor markedsandel og har fordelene ved god stabilitet, lave omkostninger og kort behandlingstid. De er meget udbredt i virksomhedsproduktion. Nanosekundlaserablationsprocessen er dog termisk destruktiv for prøven, og den makroskopiske manifestation er, at behandlingen producerer en stor varmepåvirket zone.
3. Pikosekundlaserbehandling Pikosekundlaserbehandling ligger mellem termisk ligevægtsablation med nanosekundlaser og koldbehandling med femtosekundlaser. Pulsvarigheden reduceres betydeligt, hvilket reducerer skader forårsaget af den varmepåvirkede zone betydeligt.
4. Femtosekundlaserbehandling Ultrahurtig laserteknologi giver muligheder for finbearbejdning af diamanter, men de høje omkostninger og vedligeholdelsesomkostninger ved femtosekundlasere begrænser promoveringen af behandlingsmetoder. I øjeblikket er det meste relateret forskning stadig på laboratoriestadiet.
Konklusion
Fra "ude af stand til at skære" til "udskære efter behag" har laserteknologi gjortdiamant ikke længere en "vase" fanget i laboratoriet. Med teknologiens udvikling kan vi i fremtiden se: diamantspåner, der afleder varme i mobiltelefoner, kvantecomputere, der bruger diamanter til at lagre information, og endda diamantbiosensorer implanteret i menneskekroppen ... Denne dans af lys og diamanter ændrer vores liv.