Лазерная «резка» алмаза: покорение самых твёрдых материалов с помощью света

АлмазЭто самое твёрдое вещество в природе, но оно используется не только в ювелирных изделиях. Этот материал обладает теплопроводностью в пять раз выше, чем медь, выдерживает экстремальные температуры и излучение, может пропускать свет, служить изолятором и даже превращаться в полупроводник. Однако именно эти «сверхспособности» делают алмаз «самым сложным» для обработки материалом: традиционные инструменты либо не могут его разрезать, либо оставляют трещины. Лишь с появлением лазерных технологий человечество наконец нашло ключ к покорению этого «короля материалов».

Почему лазер может «резать» алмаз?

Представьте, что вы используете увеличительное стекло, чтобы сфокусировать солнечный свет и поджечь бумагу. Принцип лазерной обработки алмаза схож, но более точен. При воздействии на алмаз высокоэнергетического лазерного луча происходит микроскопическая «метаморфоза атома углерода»:

1. Алмаз превращается в графит: энергия лазера изменяет поверхностную структуру алмаза (sp³) в более мягкий графит (sp²), точно так же, как алмаз мгновенно «вырождается» в грифель карандаша.

2. Графит «испаряется»: графитовый слой сублимируется при высокой температуре или травится кислородом, оставляя точные следы обработки. 3. Ключевой прорыв: дефекты. Теоретически, идеальный алмаз можно обрабатывать только ультрафиолетовым лазером (длина волны <229 нм), но в реальности искусственные алмазы всегда имеют мельчайшие дефекты (такие как примеси и границы зерен). Эти дефекты подобны «дыркам», поглощающим обычный зелёный свет (532 нм) или инфракрасный лазер (1064 нм). Учёные даже могут «командовать» лазеру вырезать определённый узор на алмазе, регулируя распределение дефектов.

Тип лазера: Эволюция от «печи» до «ледяного ножа»

Лазерная обработка сочетает в себе системы числового программного управления, передовые оптические системы и высокоточное автоматизированное позиционирование заготовок, образуя научно-исследовательский и производственный центр обработки. Применительно к обработке алмазов она обеспечивает эффективную и высокоточную обработку.

1. Микросекундная лазерная обработка. Длительность микросекундного лазерного импульса широка и обычно подходит для грубой обработки. До появления технологии синхронизации мод лазерные импульсы в основном находились в микросекундном и наносекундном диапазоне. В настоящее время имеется мало сообщений о прямой обработке алмазов микросекундными лазерами, и большинство из них сосредоточено на области применения в конечной обработке.

2. Обработка наносекундным лазером. Наносекундные лазеры в настоящее время занимают большую долю рынка и обладают такими преимуществами, как высокая стабильность, низкая стоимость и короткое время обработки. Они широко используются в промышленном производстве. Однако процесс наносекундной лазерной абляции вызывает термическое разрушение образца, что на макроскопическом уровне проявляется в образовании обширной зоны термического влияния.

3. Пикосекундная лазерная обработка. Пикосекундная лазерная обработка занимает промежуточное положение между наносекундной лазерной терморавновесной абляцией и фемтосекундной лазерной холодной обработкой. Длительность импульса значительно сокращена, что значительно снижает повреждения, вызванные зоной термического воздействия.

4. Фемтосекундная лазерная обработка. Технология сверхбыстрых лазеров открывает возможности для точной обработки алмазов, однако высокая стоимость и эксплуатационные расходы фемтосекундных лазеров ограничивают распространение этих методов обработки. В настоящее время большинство соответствующих исследований находятся на стадии лабораторных исследований.

Заключение

От «невозможности резать» до «вырезать по желанию» лазерная технология превратилаалмаз Больше не «ваза», запертая в лаборатории. С развитием технологий в будущем мы, возможно, увидим: алмазные чипы, рассеивающие тепло в мобильных телефонах, квантовые компьютеры, использующие алмазы для хранения информации, и даже алмазные биосенсоры, имплантируемые в человеческое тело… Этот танец света и алмазов меняет нашу жизнь.