Lézeres „faragás” gyémánt: a legkeményebb anyag meghódítása fénnyel
Gyémánta természetben előforduló legkeményebb anyag, de nem csak ékszer. Ez az anyag ötször gyorsabb hővezető képességgel rendelkezik, mint a réz, ellenáll a szélsőséges hőnek és sugárzásnak, átengedi a fényt, szigetel, sőt félvezetővé is alakítható. Azonban ezek a „szuperképességek” teszik a gyémántot a „legnehezebben” feldolgozható anyaggá – a hagyományos eszközök vagy nem tudják vágni, vagy repedéseket hagynak rajta. Csak a lézertechnológia megjelenésével talált rá az emberiség végre a kulcsra, hogy meghódítsa ezt az „anyagok királyát”.
Miért lehet lézerrel „vágni” a gyémántot?
Képzelje el, hogy nagyítóval fókuszálja a napfényt, hogy meggyújtsa a papírt. A lézeres gyémántmegmunkálás elve hasonló, de pontosabb. Amikor egy nagy energiájú lézersugár besugározza a gyémántot, mikroszkopikus „szénatom-metamorfózis” történik:
1. A gyémánt grafittá alakul: A lézerenergia a felszíni gyémántszerkezetet (sp³) puhább grafittá (sp²) alakítja, akárcsak egy gyémánt, amely azonnal ceruzabéllé „degenerálódik”.
2. A grafit „elpárolog”: a grafitréteg magas hőmérsékleten szublimál, vagy oxigén maratja, pontos megmunkálási nyomokat hagyva. 3. Áttörés: hibák Elméletileg a tökéletes gyémántot csak ultraibolya lézerrel (hullámhossz <229 nm) lehet megmunkálni, de a valóságban a mesterséges gyémántoknak mindig vannak apró hibáik (például szennyeződések és szemcsehatárok). Ezek a hibák olyanok, mint a „lyukak”, amelyek lehetővé teszik a hagyományos zöld fény (532 nm) vagy az infravörös lézer (1064 nm) elnyelését. A tudósok akár „utasíthatják” a lézert, hogy a hibaeloszlás szabályozásával egy adott mintát véssen a gyémántra.
Lézertípus: Evolúció a „kemencétől” a „jégkésig”
A lézeres megmunkálás a számítógépes numerikus vezérlőrendszereket, a fejlett optikai rendszereket, valamint a nagy pontosságú és automatizált munkadarab-pozicionálást ötvözi egy kutatási és gyártási feldolgozó központ létrehozásához. Gyémántmegmunkálásra alkalmazva hatékony és nagy pontosságú megmunkálást tesz lehetővé.
1. Mikroszekundumos lézeres megmunkálás A mikroszekundumos lézer impulzusszélessége széles, és általában durva megmunkálásra alkalmas. A móduscsatolásos technológia megjelenése előtt a lézerimpulzusok többnyire a mikroszekundumos és nanoszekundumos tartományban voltak. Jelenleg kevés beszámoló található a mikroszekundumos lézerekkel végzett közvetlen gyémántmegmunkálásról, és ezek többsége a háttér-megmunkálási alkalmazások területére összpontosít.
2. Nanoszekundumos lézeres megmunkálás A nanoszekundumos lézerek jelenleg nagy piaci részesedéssel rendelkeznek, és jó stabilitással, alacsony költséggel és rövid feldolgozási idővel rendelkeznek. Széles körben használják őket a vállalati termelésben. A nanoszekundumos lézeres ablációs eljárás azonban termikusan roncsolja a mintát, és a makroszkopikus megnyilvánulása az, hogy a megmunkálás nagy hőhatásövezetet hoz létre.
3. Pikoszekundumos lézeres megmunkálás A pikoszekundumos lézeres megmunkálás a nanoszekundumos lézeres termikus egyensúlyi abláció és a femtoszekundumos lézeres hidegmegmunkálás közé esik. Az impulzus időtartama jelentősen csökken, ami nagymértékben csökkenti a hőhatásövezet által okozott károsodást.
4. Femtoszekundumos lézeres megmunkálás Az ultragyors lézertechnológia lehetőségeket kínál a gyémántok finommegmunkálására, de a femtoszekundumos lézerek magas költsége és karbantartási költségei korlátozzák a megmunkálási módszerek népszerűsítését. Jelenleg a legtöbb kapcsolódó kutatás még laboratóriumi stádiumban van.
Következtetés
A „vágásra képtelen” állapottól a „tetszés szerinti faragásra” való áttérés a lézertechnológiának köszönhetőengyémánt már nem egy laboratóriumban csapdába esett „váza”. A technológia fejlődésével a jövőben láthatunk majd: gyémántchipeket, amelyek elvezetik a hőt a mobiltelefonokban, kvantumszámítógépeket, amelyek gyémántokat használnak az információk tárolására, sőt akár gyémántbioszenzorokat is, amelyeket az emberi testbe ültetnek be... A fény és a gyémántok tánca megváltoztatja az életünket.