Diamanten per Laser „schnitzen“: Mit Licht das härteste Material erobern
DiamantDiamant ist die härteste Substanz in der Natur, wird aber nicht nur für Schmuck verwendet. Dieses Material hat eine fünfmal höhere Wärmeleitfähigkeit als Kupfer, hält extremer Hitze und Strahlung stand, kann Licht übertragen, isolieren und sogar in einen Halbleiter umgewandelt werden. Diese „Superkräfte“ machen Diamant jedoch zum „am schwierigsten“ zu bearbeitenden Material – herkömmliche Werkzeuge können ihn entweder nicht schneiden oder hinterlassen Risse. Erst mit dem Aufkommen der Lasertechnologie fand der Mensch endlich einen Schlüssel zur Bezwingung dieses „Königs der Materialien“.
Warum kann ein Laser Diamanten „schneiden“?
Stellen Sie sich vor, Sie bündeln Sonnenlicht mit einer Lupe, um Papier zu entzünden. Das Prinzip der Laserbearbeitung von Diamanten ist ähnlich, aber präziser. Bestrahlt ein hochenergetischer Laserstrahl Diamanten, findet eine mikroskopische „Kohlenstoffatom-Metamorphose“ statt:
1. Diamant wird zu Graphit: Die Laserenergie verändert die Diamantoberflächenstruktur (sp³) in weicheren Graphit (sp²), so wie ein Diamant augenblicklich zu einer Bleistiftmine „degeneriert“.
2. Graphit wird „verdampft“: Die Graphitschicht sublimiert bei hohen Temperaturen oder wird durch Sauerstoff geätzt, wodurch präzise Bearbeitungsspuren entstehen. 3. Entscheidender Durchbruch: Defekte Theoretisch können perfekte Diamanten nur mit einem Ultraviolettlaser (Wellenlänge <229 nm) bearbeitet werden, in Wirklichkeit weisen künstliche Diamanten jedoch immer winzige Defekte (wie Verunreinigungen und Korngrenzen) auf. Diese Defekte sind wie „Löcher“, die die Absorption von gewöhnlichem grünem Licht (532 nm) oder Infrarotlaser (1064 nm) ermöglichen. Wissenschaftler können dem Laser sogar „befehlen“, ein bestimmtes Muster in den Diamanten zu ritzen, indem sie die Defektverteilung regulieren.
Lasertyp: Entwicklung vom „Ofen“ zum „Eismesser“
Die Laserbearbeitung kombiniert computergestützte numerische Steuerungssysteme, fortschrittliche optische Systeme sowie hochpräzise und automatisierte Werkstückpositionierung zu einem Forschungs- und Produktionsbearbeitungszentrum. Bei der Diamantbearbeitung kann eine effiziente und hochpräzise Bearbeitung erreicht werden.
1. Mikrosekundenlaserbearbeitung: Die Mikrosekundenlaserpulsbreite ist breit und eignet sich in der Regel für die Grobbearbeitung. Vor der Einführung der Modenkopplungstechnologie lagen Laserpulse meist im Mikrosekunden- und Nanosekundenbereich. Derzeit gibt es nur wenige Berichte über die direkte Diamantbearbeitung mit Mikrosekundenlasern, und die meisten davon konzentrieren sich auf den Anwendungsbereich der Back-End-Bearbeitung.
2. Nanosekundenlaserbearbeitung Nanosekundenlaser nehmen derzeit einen großen Marktanteil ein und bieten die Vorteile guter Stabilität, niedriger Kosten und kurzer Bearbeitungszeit. Sie werden häufig in der Unternehmensproduktion eingesetzt. Der Nanosekundenlaserablationsprozess ist jedoch thermisch zerstörerisch für die Probe, und makroskopisch manifestiert sich dies in der Entstehung einer großen Wärmeeinflusszone.
3. Pikosekundenlaserbearbeitung Die Pikosekundenlaserbearbeitung liegt zwischen der thermischen Gleichgewichtsablation mit Nanosekundenlasern und der Kaltbearbeitung mit Femtosekundenlasern. Die Pulsdauer wird deutlich reduziert, wodurch die durch die Wärmeeinflusszone verursachten Schäden stark verringert werden.
4. Femtosekundenlaserbearbeitung Die ultraschnelle Lasertechnologie bietet Möglichkeiten für die Feinbearbeitung von Diamanten, doch die hohen Kosten und der Wartungsaufwand von Femtosekundenlasern schränken die Entwicklung neuer Bearbeitungsmethoden ein. Derzeit befindet sich die Forschung hierzu größtenteils noch im Laborstadium.
Abschluss
Von „nicht schneiden können“ bis „nach Belieben schnitzen“ – die Lasertechnologie hatDiamant Es ist keine „Vase“ mehr, die im Labor gefangen ist. Dank der Weiterentwicklung der Technologie könnten wir in Zukunft Folgendes erleben: Diamantchips, die Wärme in Mobiltelefonen ableiten, Quantencomputer, die Diamanten zur Informationsspeicherung nutzen, und sogar Diamant-Biosensoren, die in den menschlichen Körper implantiert werden … Dieser Tanz aus Licht und Diamanten verändert unser Leben.