Khắc laser kim cương: chinh phục vật liệu cứng nhất bằng ánh sáng
Kim cươngKim cương là vật liệu cứng nhất trong tự nhiên, nhưng nó không chỉ là đồ trang sức. Vật liệu này có độ dẫn nhiệt nhanh gấp năm lần đồng, có thể chịu được nhiệt độ và bức xạ cực cao, có thể truyền ánh sáng, cách điện và thậm chí có thể biến đổi thành chất bán dẫn. Tuy nhiên, chính những “siêu năng lực” này khiến kim cương trở thành vật liệu “khó chế tác” nhất – các công cụ truyền thống không thể cắt được hoặc để lại vết nứt. Mãi cho đến khi công nghệ laser ra đời, con người mới tìm ra chìa khóa để chinh phục “vua của các loại vật liệu” này.
Tại sao tia laser có thể “cắt” kim cương?
Hãy tưởng tượng việc sử dụng kính lúp để hội tụ ánh sáng mặt trời làm cháy giấy. Nguyên lý xử lý kim cương bằng laser cũng tương tự, nhưng chính xác hơn. Khi một chùm tia laser năng lượng cao chiếu vào kim cương, một "biến thái nguyên tử carbon" cực nhỏ sẽ xảy ra:
1. Kim cương biến thành than chì: Năng lượng laser làm thay đổi cấu trúc bề mặt kim cương (sp³) thành than chì mềm hơn (sp²), giống như kim cương ngay lập tức “thoái hóa” thành ruột bút chì.
2. Than chì được “bốc hơi”: lớp than chì thăng hoa ở nhiệt độ cao hoặc được khắc bằng oxy, để lại những dấu vết gia công chính xác. 3. Đột phá then chốt: Khuyết tật. Về lý thuyết, kim cương hoàn hảo chỉ có thể được xử lý bằng tia laser cực tím (bước sóng <229 nm), nhưng trên thực tế, kim cương nhân tạo luôn có những khuyết tật rất nhỏ (như tạp chất và ranh giới hạt). Những khuyết tật này giống như những “lỗ hổng” cho phép ánh sáng xanh lá cây thông thường (532 nm) hoặc tia laser hồng ngoại (1064 nm) bị hấp thụ. Các nhà khoa học thậm chí có thể “ra lệnh” cho tia laser khắc một họa tiết cụ thể trên kim cương bằng cách điều chỉnh sự phân bố khuyết tật.
Loại laser: Sự tiến hóa từ “lò nung” thành “dao cắt băng”
Gia công laser kết hợp hệ thống điều khiển số máy tính, hệ thống quang học tiên tiến và định vị chi tiết gia công tự động, có độ chính xác cao, tạo thành một trung tâm gia công nghiên cứu và sản xuất. Ứng dụng trong gia công kim cương, nó có thể đạt được hiệu quả gia công cao và độ chính xác cao.
1. Xử lý laser micro giây Độ rộng xung laser micro giây khá rộng và thường phù hợp cho gia công thô. Trước khi công nghệ khóa mode xuất hiện, xung laser chủ yếu nằm trong khoảng micro giây và nano giây. Hiện nay, có rất ít báo cáo về xử lý kim cương trực tiếp bằng laser micro giây, và hầu hết tập trung vào lĩnh vực ứng dụng xử lý hậu kỳ.
2. Xử lý laser nano giây Laser nano giây hiện đang chiếm thị phần lớn và có ưu điểm là độ ổn định tốt, chi phí thấp và thời gian xử lý ngắn. Chúng được sử dụng rộng rãi trong sản xuất doanh nghiệp. Tuy nhiên, quá trình cắt laser nano giây lại phá hủy mẫu vật về mặt nhiệt, biểu hiện ở cấp độ vĩ mô là quá trình xử lý tạo ra vùng ảnh hưởng nhiệt lớn.
3. Xử lý laser pico giây: Xử lý laser pico giây là sự kết hợp giữa phương pháp phá hủy cân bằng nhiệt laser nano giây và xử lý lạnh laser femto giây. Độ dài xung được giảm đáng kể, giúp giảm đáng kể tổn thương do vùng ảnh hưởng nhiệt gây ra.
4. Xử lý laser femto giây: Công nghệ laser siêu nhanh mang lại cơ hội cho việc xử lý kim cương tinh xảo, nhưng chi phí cao và chi phí bảo trì của laser femto giây đang hạn chế việc phát triển các phương pháp xử lý này. Hiện tại, hầu hết các nghiên cứu liên quan vẫn đang ở giai đoạn phòng thí nghiệm.
Phần kết luận
Từ “không thể cắt” đến “khắc theo ý muốn”, công nghệ laser đã tạo rakim cương không còn là một “chiếc bình” bị nhốt trong phòng thí nghiệm nữa. Với sự phát triển của công nghệ, trong tương lai chúng ta có thể thấy: chip kim cương tản nhiệt trong điện thoại di động, máy tính lượng tử sử dụng kim cương để lưu trữ thông tin, và thậm chí cả cảm biến sinh học kim cương được cấy ghép vào cơ thể con người… Vũ điệu của ánh sáng và kim cương đang thay đổi cuộc sống của chúng ta.