Лазерно „дърворезба“ на диамант: покоряване на най-твърдия материал със светлина

Диаманте най-твърдото вещество в природата, но не е само бижу. Този материал има топлопроводимост пет пъти по-бърза от медта, може да издържи на екстремна топлина и радиация, може да пропуска светлина, да изолира и дори може да се трансформира в полупроводник. Именно тези „суперсили“ обаче правят диаманта „най-трудния“ материал за обработка – традиционните инструменти или не могат да го режат, или да оставят пукнатини. Едва с появата на лазерната технология хората най-накрая откриха ключ към завладяването на този „цар на материалите“.

Защо лазерът може да „реже“ диамант?

Представете си, че използвате лупа, за да фокусирате слънчевата светлина и да запалите хартия. Принципът на лазерната обработка на диаманти е подобен, но по-прецизен. Когато високоенергиен лазерен лъч облъчи диаманта, се получава микроскопична „метаморфоза на въглеродния атом“:

1. Диамантът се превръща в графит: Лазерната енергия променя повърхностната структура на диаманта (sp³) в по-мек графит (sp²), точно както диамантът мигновено „дегенерира“ в графит на молив.

2. Графитът се „изпарява“: графитният слой сублимира при висока температура или се ецва от кислород, оставяйки прецизни следи от обработката. 3. Ключов пробив: дефекти На теория, перфектният диамант може да се обработва само с ултравиолетов лазер (дължина на вълната <229 nm), но в действителност изкуствените диаманти винаги имат малки дефекти (като примеси и граници на зърната). Тези дефекти са като „дупки“, които позволяват абсорбирането на обикновена зелена светлина (532 nm) или инфрачервен лазер (1064 nm). Учените могат дори да „заповядват“ на лазера да издълбае специфичен модел върху диаманта, като регулират разпределението на дефектите.

Тип лазер: Еволюция от „пещ“ до „нож за лед“

Лазерната обработка комбинира компютърни системи за цифрово управление, усъвършенствани оптични системи и високопрецизно и автоматизирано позициониране на детайлите, за да образува център за научноизследователска и производствена обработка. Приложена за обработка на диаманти, тя може да постигне ефективна и високопрецизна обработка.

1. Микросекундна лазерна обработка Ширината на микросекундния лазерен импулс е широка и обикновено е подходяща за груба обработка. Преди появата на технологията за заключване на модовете, лазерните импулси са били предимно в микросекундния и наносекундния диапазон. В момента има малко доклади за директна обработка на диаманти с микросекундни лазери и повечето от тях се фокусират върху областта на приложенията за обработка на back-end елементи.

2. Наносекундна лазерна обработка Наносекундните лазери понастоящем заемат голям пазарен дял и имат предимствата на добра стабилност, ниска цена и кратко време за обработка. Те се използват широко в корпоративното производство. Процесът на наносекундна лазерна аблация обаче е термично разрушителен за пробата, а макроскопското проявление е, че обработката създава голяма зона, засегната от топлина.

3. Пикосекундна лазерна обработка Пикосекундната лазерна обработка е между наносекундна лазерна термична равновесна аблация и фемтосекундна лазерна студена обработка. Продължителността на импулса е значително намалена, което значително намалява щетите, причинени от засегнатата от топлината зона.

4. Фемтосекундна лазерна обработка. Ултрабързата лазерна технология предлага възможности за фина обработка на диаманти, но високата цена и разходите за поддръжка на фемтосекундните лазери ограничават популяризирането на методите за обработка. В момента повечето свързани изследвания остават на лабораторна фаза.

Заключение

От „невъзможност за рязане“ до „дълбаене по желание“, лазерната технология е превърналадиамант вече не е „ваза“, затворена в лабораторията. С развитието на технологиите, в бъдеще може да видим: диамантени чипове, разсейващи топлината в мобилни телефони, квантови компютри, използващи диаманти за съхранение на информация, и дори диамантени биосензори, имплантирани в човешкото тяло... Този танц на светлината и диамантите променя живота ни.