Laserové „řezbářství“ diamantu: zdolávání nejtvrdšího materiálu světlem
Diamantje nejtvrdší látkou v přírodě, ale není to jen šperk. Tento materiál má tepelnou vodivost pětkrát rychlejší než měď, odolá extrémnímu teplu a záření, dokáže propouštět světlo, izolovat a dokonce se dá přeměnit na polovodič. Právě tyto „superschopnosti“ však dělají z diamantu „nejobtížněji“ zpracovatelný materiál – tradiční nástroje ho buď nedokážou řezat, nebo v něm zanechávají praskliny. Až s příchodem laserové technologie lidstvo konečně našlo klíč k dobytí tohoto „krále materiálů“.
Proč dokáže laser „řezat“ diamant?
Představte si, že používáte lupu k zaostření slunečního světla a zapálení papíru. Princip laserového zpracování diamantu je podobný, ale přesnější. Když vysokoenergetický laserový paprsek ozařuje diamant, dochází k mikroskopické „metamorfóze atomů uhlíku“:
1. Diamant se mění v grafit: Laserová energie mění povrchovou strukturu diamantu (sp³) na měkčí grafit (sp²), stejně jako když diamant okamžitě „degeneruje“ v tuhu tužky.
2. Grafit se „odpařuje“: grafitová vrstva sublimuje při vysoké teplotě nebo je leptána kyslíkem a zanechává přesné stopy po opracování. 3. Klíčový průlom: defekty Teoreticky lze dokonalý diamant opracovat pouze ultrafialovým laserem (vlnová délka <229 nm), ale ve skutečnosti mají umělé diamanty vždy drobné defekty (jako jsou nečistoty a hranice zrn). Tyto defekty jsou jako „díry“, které umožňují absorpci běžného zeleného světla (532 nm) nebo infračerveného laseru (1064 nm). Vědci mohou dokonce „přikázat“ laseru, aby do diamantu vyřezal specifický vzor, regulací rozložení defektů.
Typ laseru: Vývoj z „pece“ na „ledový nůž“
Laserové obrábění kombinuje počítačové numerické řídicí systémy, pokročilé optické systémy a vysoce přesné a automatizované polohování obrobků a vytváří tak výzkumné a výrobní centrum. V kombinaci s obráběním diamantů umožňuje dosáhnout efektivního a vysoce přesného obrábění.
1. Mikrosekundové laserové zpracování Šířka mikrosekundového laserového pulzu je široká a obvykle je vhodná pro hrubé zpracování. Před vznikem technologie synchronizace módů byly laserové pulzy většinou v mikrosekundovém a nanosekundovém rozsahu. V současné době existuje jen málo zpráv o přímém zpracování diamantů mikrosekundovými lasery a většina z nich se zaměřuje na oblast aplikací pro zpracování na zadní straně.
2. Zpracování nanosekundovým laserem Nanosekundové lasery v současnosti zaujímají velký podíl na trhu a mají výhody dobré stability, nízkých nákladů a krátké doby zpracování. Jsou široce používány v podnikové výrobě. Proces ablace nanosekundovým laserem je však pro vzorek tepelně destruktivní a makroskopicky se projevuje tím, že zpracování vytváří velkou tepelně ovlivněnou zónu.
3. Pikosekundové laserové zpracování Pikosekundové laserové zpracování se nachází mezi nanosekundovou laserovou tepelně rovnovážnou ablací a femtosekundovým laserovým zpracováním za studena. Délka pulzu je výrazně zkrácena, což značně snižuje poškození způsobené tepelně ovlivněnou zónou.
4. Zpracování femtosekundovým laserem Ultrarychlá laserová technologie přináší možnosti jemného zpracování diamantů, ale vysoké náklady a náklady na údržbu femtosekundových laserů omezují propagaci metod zpracování. V současné době zůstává většina souvisejícího výzkumu v laboratorní fázi.
Závěr
Laserová technologie se z „neschopnosti řezat“ stala „vyřezáváním dle libosti“diamant už ne „váza“ uvězněná v laboratoři. S rozvojem technologií bychom v budoucnu mohli vidět: diamantové třísky rozptylující teplo v mobilních telefonech, kvantové počítače využívající diamanty k ukládání informací a dokonce i diamantové biosenzory implantované do lidského těla… Tento tanec světla a diamantů mění naše životy.