Diamante “tallado” con láser: conquistando el material más duro con luz
DiamanteEl diamante es la sustancia más dura de la naturaleza, pero no se trata solo de joyería. Este material tiene una conductividad térmica cinco veces mayor que el cobre, soporta calor y radiación extremos, transmite luz, aísla e incluso se transforma en semiconductor. Sin embargo, son estas "superpotencias" las que hacen del diamante el material más difícil de procesar: las herramientas tradicionales no pueden cortarlo o lo agrietan. No fue hasta la llegada de la tecnología láser que la humanidad finalmente encontró la clave para dominar a este "rey de los materiales".
¿Por qué el láser puede “cortar” el diamante?
Imagine usar una lupa para enfocar la luz solar y prender fuego al papel. El principio del procesamiento láser del diamante es similar, pero más preciso. Cuando un rayo láser de alta energía irradia el diamante, se produce una microscópica «metamorfosis del átomo de carbono».
1. El diamante se convierte en grafito: la energía del láser cambia la estructura superficial del diamante (sp³) en grafito más blando (sp²), de la misma manera que un diamante se “degenera” instantáneamente en una mina de lápiz.
2. El grafito se "evapora": la capa de grafito se sublima a alta temperatura o se graba con oxígeno, dejando marcas de procesamiento precisas. 3. Avance clave: defectos. En teoría, un diamante perfecto solo se puede procesar con láser ultravioleta (longitud de onda <229 nm), pero en realidad, los diamantes artificiales siempre presentan defectos diminutos (como impurezas y límites de grano). Estos defectos son como "agujeros" que permiten la absorción de la luz verde común (532 nm) o del láser infrarrojo (1064 nm). Los científicos incluso pueden "ordenar" al láser que talle un patrón específico en el diamante regulando la distribución de los defectos.
Tipo de láser: evolución del «horno» al «cuchillo de hielo»
El procesamiento láser combina sistemas de control numérico computarizado, sistemas ópticos avanzados y posicionamiento automatizado de piezas de trabajo de alta precisión para conformar un centro de investigación y producción. Aplicado al procesamiento de diamantes, permite lograr un procesamiento eficiente y de alta precisión.
1. Procesamiento láser de microsegundos. El ancho de pulso láser de microsegundos es amplio y suele ser adecuado para el procesamiento en bruto. Antes de la aparición de la tecnología de bloqueo de modo, los pulsos láser se encontraban principalmente en el rango de microsegundos y nanosegundos. Actualmente, existen pocos informes sobre el procesamiento directo de diamantes con láseres de microsegundos, y la mayoría se centran en el campo de aplicación del procesamiento back-end.
2. Procesamiento láser de nanosegundos. Los láseres de nanosegundos ocupan actualmente una amplia cuota de mercado y ofrecen ventajas como buena estabilidad, bajo coste y corto tiempo de procesamiento. Se utilizan ampliamente en la producción empresarial. Sin embargo, el proceso de ablación láser de nanosegundos es térmicamente destructivo para la muestra, y la manifestación macroscópica es que el procesamiento produce una amplia zona afectada por el calor.
3. Procesamiento láser de picosegundos. El procesamiento láser de picosegundos se sitúa entre la ablación por equilibrio térmico con láser de nanosegundos y el procesamiento en frío con láser de femtosegundos. La duración del pulso se reduce significativamente, lo que reduce considerablemente el daño causado por la zona afectada por el calor.
4. Procesamiento con láser de femtosegundo. La tecnología láser ultrarrápida ofrece oportunidades para el procesamiento fino de diamantes, pero el alto costo y el mantenimiento de los láseres de femtosegundo limitan la promoción de estos métodos de procesamiento. Actualmente, la mayor parte de la investigación relacionada se encuentra en fase de laboratorio.
Conclusión
De “no poder cortar” a “tallar a voluntad”, la tecnología láser ha hechodiamante Ya no es un "jarrón" encerrado en un laboratorio. Con la iteración de la tecnología, en el futuro podríamos ver chips de diamante que disipen el calor en teléfonos móviles, computadoras cuánticas que usen diamantes para almacenar información, e incluso biosensores de diamante implantados en el cuerpo humano... Esta danza de luz y diamantes está cambiando nuestras vidas.