Diamant lasersnijden: het hardste materiaal met licht veroveren
Diamantis de hardste stof in de natuur, maar het is niet alleen een sieraad. Dit materiaal heeft een vijf keer snellere thermische geleidbaarheid dan koper, is bestand tegen extreme hitte en straling, kan licht doorlaten, isoleren en kan zelfs worden omgezet in een halfgeleider. Het zijn echter deze "superkrachten" die diamant tot het "moeilijkste" materiaal maken om te bewerken – traditionele gereedschappen kunnen het niet snijden of laten barsten achter. Pas met de komst van lasertechnologie vonden mensen eindelijk de sleutel om deze "koning der materialen" te veroveren.
Waarom kan een laser een diamant “snijden”?
Stel je voor dat je een vergrootglas gebruikt om zonlicht te focussen en zo papier te laten ontbranden. Het principe van laserbewerking van diamant is vergelijkbaar, maar preciezer. Wanneer een hoogenergetische laserstraal diamant bestraalt, vindt er een microscopische "koolstofatoommetamorfose" plaats:
1. Diamant verandert in grafiet: De laserenergie verandert de oppervlaktestructuur van de diamant (sp³) in zachter grafiet (sp²), net zoals een diamant onmiddellijk “degenereert” tot een potloodstift.
2. Grafiet wordt "verdampt": de grafietlaag sublimeert bij hoge temperatuur of wordt geëtst door zuurstof, waardoor er nauwkeurige bewerkingssporen achterblijven. 3. Belangrijke doorbraak: defecten. In theorie kan een perfecte diamant alleen worden bewerkt met een ultraviolette laser (golflengte <229 nm), maar in werkelijkheid hebben kunstmatige diamanten altijd kleine defecten (zoals onzuiverheden en korrelgrenzen). Deze defecten zijn als "gaten" die ervoor zorgen dat gewoon groen licht (532 nm) of infraroodlaser (1064 nm) wordt geabsorbeerd. Wetenschappers kunnen de laser zelfs "aansturen" om een specifiek patroon in de diamant te kerven door de verdeling van de defecten te reguleren.
Lasertype: Evolutie van “oven” naar “ijsmes”
Laserbewerking combineert computergestuurde numerieke besturingssystemen, geavanceerde optische systemen en uiterst nauwkeurige en geautomatiseerde positionering van werkstukken om een onderzoeks- en productiecentrum te vormen. Toegepast op diamantbewerking kan het een efficiënte en uiterst nauwkeurige bewerking bereiken.
1. Microseconde laserbewerking De pulsbreedte van microseconde lasers is breed en is doorgaans geschikt voor ruwe bewerking. Vóór de opkomst van mode locking-technologie bevonden laserpulsen zich meestal in het microseconde- en nanosecondebereik. Momenteel zijn er weinig rapporten over directe diamantbewerking met microseconde lasers, en de meeste daarvan richten zich op de back-end-verwerkingstoepassingen.
2. Nanoseconde laserbewerking Nanoseconde lasers hebben momenteel een groot marktaandeel en bieden de voordelen van goede stabiliteit, lage kosten en een korte verwerkingstijd. Ze worden veel gebruikt in de productie van industriële producten. Het ablatieproces met nanoseconde lasers is echter thermisch destructief voor het monster, en de macroscopische manifestatie is dat de bewerking een grote hitte-beïnvloede zone creëert.
3. Picoseconde laserbewerking Picoseconde laserbewerking bevindt zich tussen nanoseconde laser thermische evenwichtsablatie en femtoseconde laser koude bewerking. De pulsduur is aanzienlijk korter, wat de schade veroorzaakt door de warmte-beïnvloede zone aanzienlijk vermindert.
4. Femtoseconde laserbewerking Ultrasnelle lasertechnologie biedt mogelijkheden voor de fijne bewerking van diamant, maar de hoge kosten en onderhoudskosten van femtoseconde lasers beperken de promotie van verwerkingsmethoden. Momenteel bevindt het meeste onderzoek zich nog in het laboratoriumstadium.
Conclusie
Van ‘niet kunnen snijden’ naar ‘naar believen snijden’, lasertechnologie heeftdiamant niet langer een "vaas" gevangen in het laboratorium. Met de voortschrijdende technologie kunnen we in de toekomst wellicht het volgende zien: diamantchips die warmte afgeven in mobiele telefoons, quantumcomputers die diamanten gebruiken om informatie op te slaan, en zelfs diamantbiosensoren die in het menselijk lichaam worden geïmplanteerd... Deze dans van licht en diamanten verandert ons leven.