Laserilla "kaivertava" timantti: kovimmankin materiaalin valloitus valolla
Timanttion luonnon kovin aine, mutta se ei ole vain koruja. Tämän materiaalin lämmönjohtavuus on viisi kertaa nopeampi kuin kuparin, se kestää äärimmäistä kuumuutta ja säteilyä, voi läpäistä valoa, eristää ja se voidaan jopa muuntaa puolijohteeksi. Juuri nämä "supervoimat" tekevät timantista "vaikeimman" työstettävän materiaalin – perinteiset työkalut eivät joko pysty leikkaamaan sitä tai jättämään halkeamia. Vasta laserteknologian myötä ihmiset löysivät lopulta avaimen tämän "materiaalien kuninkaan" valloittamiseen.
Miksi timanttia voi laserilla "leikata"?
Kuvittele käyttäväsi suurennuslasia auringonvalon kohdistamiseen paperin sytyttämiseksi. Timantin lasertyöstön periaate on samanlainen, mutta tarkempi. Kun korkeaenerginen lasersäde säteilee timanttia, tapahtuu mikroskooppinen "hiiliatomin metamorfoosi":
1. Timantti muuttuu grafiitiksi: Laserenergia muuttaa timantin pinnan rakenteen (sp³) pehmeämmäksi grafiitiksi (sp²), aivan kuten timantti "rappeutuu" välittömästi lyijykynän lyijyksi.
2. Grafiitti ”haihtuu”: grafiittikerros sublimoituu korkeassa lämpötilassa tai syövyttyy hapella, jolloin jäljet jäävät tarkkoihin työstöjälkiin. 3. Keskeinen läpimurto: virheet Teoriassa täydellinen timantti voidaan työstää vain ultraviolettisäteilylaserilla (aallonpituus <229 nm), mutta todellisuudessa keinotekoisissa timanteissa on aina pieniä virheitä (kuten epäpuhtauksia ja raeravoja). Nämä virheet ovat kuin ”reikiä”, jotka absorboivat tavallista vihreää valoa (532 nm) tai infrapunalaseria (1064 nm). Tutkijat voivat jopa ”käskyttää” laseria kaivertamaan tietyn kuvion timanttiin säätelemällä virheiden jakautumista.
Lasertyyppi: Kehitys "uunista" "jääveitseksi"
Laserkäsittelyssä yhdistyvät tietokoneohjatut numeeriset ohjausjärjestelmät, edistyneet optiset järjestelmät sekä tarkka ja automatisoitu työkappaleen paikannus tutkimus- ja tuotantoprosessien keskuksena. Timanttien käsittelyyn sovellettuna se voi saavuttaa tehokkaan ja tarkan käsittelyn.
1. Mikrosekuntilaserilla tehtävä työstö Mikrosekuntilaserilla tehtävän pulssin leveys on laaja ja sopii yleensä karkeaan työstöön. Ennen moodilukitustekniikan keksimistä laserpulssit olivat enimmäkseen mikrosekunti- ja nanosekuntialueella. Tällä hetkellä raportteja timanttien suorasta työstöstä mikrosekuntilasereilla on vähän, ja useimmat niistä keskittyvät taustatyöstösovellusten kenttään.
2. Nanosekuntilaserilla tehtävä käsittely Nanosekuntilasereilla on tällä hetkellä suuri markkinaosuus, ja niiden etuna on hyvä vakaus, alhaiset kustannukset ja lyhyt käsittelyaika. Niitä käytetään laajalti yritystuotannossa. Nanosekuntilaserilla tehtävä ablaatioprosessi on kuitenkin termisesti tuhoisa näytteelle, ja makroskooppinen ilmentymä on, että käsittely tuottaa suuren lämpövaikutusalueen.
3. Pikosekuntilaserkäsittely Pikosekuntilaserkäsittely on nanosekuntilaserilla tehtävän termisen tasapainoablaation ja femtosekuntilaserilla tehtävän kylmäkäsittelyn väliltä. Pulssin kesto lyhenee merkittävästi, mikä vähentää huomattavasti lämpövaikutusalueen aiheuttamia vaurioita.
4. Femtosekuntilaserilla tehtävä työstö Ultranopea laserteknologia tuo mahdollisuuksia timanttien hienotyöstöön, mutta femtosekuntilasereiden korkeat kustannukset ja ylläpitokustannukset rajoittavat työstömenetelmien edistämistä. Tällä hetkellä suurin osa asiaan liittyvästä tutkimuksesta on vielä laboratoriovaiheessa.
Johtopäätös
Laserteknologia on tehnyt "kyvyttömyydestä leikata" "kaivertaa mielensä mukaan" -asetelmastatimantti ei enää laboratorioon vangittu ”maljakko”. Teknologian kehittyessä tulevaisuudessa saatamme nähdä: timanttisiruja haihduttamassa lämpöä matkapuhelimissa, kvanttitietokoneita, jotka käyttävät timantteja tiedon tallentamiseen, ja jopa ihmiskehoon istutettuja timanttibiosensoreita… Tämä valon ja timanttien tanssi muuttaa elämäämme.