Laserové „vyrezávanie“ diamantu: zdolávanie najtvrdšieho materiálu svetlom
Diamantje najtvrdšia látka v prírode, ale nie je to len šperk. Tento materiál má tepelnú vodivosť päťkrát rýchlejšiu ako meď, odoláva extrémnemu teplu a žiareniu, dokáže prepúšťať svetlo, izolovať a dokonca sa dá premeniť na polovodič. Práve tieto „superschopnosti“ však robia z diamantu „najťažšie“ spracovateľný materiál – tradičné nástroje ho buď nedokážu rezať, alebo v ňom zostávajú praskliny. Až s príchodom laserovej technológie ľudstvo konečne našlo kľúč k dobytiu tohto „kráľa materiálov“.
Prečo dokáže laser „rezať“ diamant?
Predstavte si, že používate lupu na zaostrenie slnečného svetla a zapálenie papiera. Princíp laserového spracovania diamantu je podobný, ale presnejší. Keď vysokoenergetický laserový lúč ožiari diamant, dochádza k mikroskopickej „metamorfóze atómov uhlíka“:
1. Diamant sa premení na grafit: Laserová energia mení povrchovú štruktúru diamantu (sp³) na mäkší grafit (sp²), rovnako ako diamant okamžite „degeneruje“ na tuhu ceruzky.
2. Grafit sa „odparuje“: grafitová vrstva sublimuje pri vysokej teplote alebo je leptaná kyslíkom, čím zanecháva presné stopy po spracovaní. 3. Kľúčový objav: defekty Teoreticky je možné dokonalý diamant spracovať iba ultrafialovým laserom (vlnová dĺžka <229 nm), ale v skutočnosti majú umelé diamanty vždy drobné defekty (ako sú nečistoty a hranice zŕn). Tieto defekty sú ako „diery“, ktoré umožňujú absorpciu bežného zeleného svetla (532 nm) alebo infračerveného laseru (1064 nm). Vedci môžu dokonca „prikázať“ laseru, aby na diamante vyrezal špecifický vzor reguláciou rozloženia defektov.
Typ laseru: Vývoj z „pece“ na „ľadový nôž“
Laserové spracovanie kombinuje počítačové numerické riadiace systémy, pokročilé optické systémy a vysoko presné a automatizované polohovanie obrobkov, čím vytvára výskumné a výrobné spracovateľské centrum. Pri použití pri spracovaní diamantov umožňuje dosiahnuť efektívne a vysoko presné spracovanie.
1. Mikrosekundové laserové spracovanie Šírka mikrosekundového laserového impulzu je široká a zvyčajne je vhodná na hrubé spracovanie. Pred vznikom technológie uzamykania módov boli laserové impulzy väčšinou v rozsahu mikrosekúnd a nanosekúnd. V súčasnosti existuje len málo správ o priamom spracovaní diamantov mikrosekundovými lasermi a väčšina z nich sa zameriava na oblasť aplikácií spracovania na konci procesu.
2. Spracovanie nanosekundovým laserom Nanosekundové lasery v súčasnosti zaujímajú veľký podiel na trhu a majú výhody dobrej stability, nízkych nákladov a krátkeho času spracovania. Sú široko používané v podnikovej výrobe. Proces ablácie nanosekundovým laserom je však tepelne deštruktívny pre vzorku a makroskopickým prejavom je, že spracovanie vytvára veľkú tepelne ovplyvnenú zónu.
3. Pikosekundové laserové spracovanie Pikosekundové laserové spracovanie sa nachádza medzi nanosekundovou laserovou tepelnou rovnovážnou abláciou a femtosekundovým laserovým spracovaním za studena. Trvanie impulzu je výrazne skrátené, čo výrazne znižuje poškodenie spôsobené tepelne ovplyvnenou zónou.
4. Spracovanie femtosekundovým laserom Ultrarýchla laserová technológia prináša príležitosti na jemné spracovanie diamantov, ale vysoké náklady a náklady na údržbu femtosekundových laserov obmedzujú propagáciu metód spracovania. V súčasnosti zostáva väčšina súvisiaceho výskumu v laboratórnej fáze.
Záver
Laserová technológia zmenila „neschopnosť rezať“ na „vyrezávanie podľa ľubovôle“diamant už nie je „vázou“ uväznenou v laboratóriu. S rozvojom technológie môžeme v budúcnosti vidieť: diamantové úlomky rozptyľujúce teplo v mobilných telefónoch, kvantové počítače používajúce diamanty na ukladanie informácií a dokonca aj diamantové biosenzory implantované do ľudského tela... Tento tanec svetla a diamantov mení naše životy.