"גילוף" יהלום בלייזר: כיבוש החומר הקשה ביותר בעזרת אור

יַהֲלוֹםהוא החומר הקשה ביותר בטבע, אך הוא אינו רק תכשיט. לחומר זה מוליכות תרמית מהירה פי חמישה מנחושת, הוא יכול לעמוד בחום וקרינה קיצוניים, יכול להעביר אור, לבודד ואף להפוך למחצה. עם זאת, דווקא "כוחות העל" הללו הם שהופכים את היהלום לחומר "הקשה ביותר" לעיבוד - כלים מסורתיים או שאינם יכולים לחתוך אותו או להשאיר סדקים. רק עם הופעת טכנולוגיית הלייזר, בני האדם מצאו סוף סוף את המפתח לכבוש את "מלך החומרים" הזה.

מדוע ניתן "לחתוך" יהלומים בלייזר?

דמיינו שאתם משתמשים בזכוכית מגדלת כדי למקד את אור השמש ולהצית נייר. עקרון עיבוד הלייזר של יהלום דומה, אך מדויק יותר. כאשר קרן לייזר בעלת אנרגיה גבוהה מקרינה על יהלום, מתרחשת "מטמורפוזה של אטום פחמן" מיקרוסקופי:

1. יהלום הופך לגרפיט: אנרגיית הלייזר משנה את מבנה היהלום (sp³) על פני השטח לגרפיט רך יותר (sp²), בדיוק כמו יהלום "מתנוון" באופן מיידי לעופרת.

2. גרפיט "מתאדה": שכבת הגרפיט מתאדה בטמפרטורה גבוהה או נחרטת על ידי חמצן, ומשאירה סימני עיבוד מדויקים. 3. פריצת דרך מרכזית: פגמים בתיאוריה, יהלום מושלם ניתן לעיבוד רק באמצעות לייזר אולטרה סגול (אורך גל <229 ננומטר), אך במציאות, ליהלומים מלאכותיים תמיד יש פגמים זעירים (כגון זיהומים וגבולות גרגירים). פגמים אלה הם כמו "חורים" המאפשרים לאור ירוק רגיל (532 ננומטר) או לייזר אינפרא אדום (1064 ננומטר) להיספג. מדענים יכולים אפילו "לפקוד" את הלייזר לחרוט דפוס ספציפי על היהלום על ידי ויסות פיזור הפגמים.

סוג לייזר: אבולוציה מ"תנור" ל"סכין קרח"

עיבוד לייזר משלב מערכות בקרה נומריות ממוחשבות, מערכות אופטיות מתקדמות, ומיקום אוטומטי ודיוק גבוה של חומר העבודה, ליצירת מרכז עיבוד מחקר וייצור. בשימוש בעיבוד יהלומים, ניתן להשיג עיבוד יעיל ודיוק גבוה.

1. עיבוד לייזר מיקרו-שנייה רוחב פולס לייזר מיקרו-שנייה הוא רחב ומתאים בדרך כלל לעיבוד גס. לפני הופעתה של טכנולוגיית נעילת מצבים, פולסי לייזר היו בעיקר בטווח המיקרו-שנייה והננו-שנייה. נכון לעכשיו, ישנם מעט דיווחים על עיבוד יהלומים ישיר עם לייזרים מיקרו-שנייה, ורובם מתמקדים בתחום יישומי עיבוד אחורי.

2. עיבוד לייזר ננו-שניות לייזרי ננו-שניות תופסים כיום נתח שוק גדול ויש להם יתרונות של יציבות טובה, עלות נמוכה וזמן עיבוד קצר. הם נמצאים בשימוש נרחב בייצור ארגוני. עם זאת, תהליך אבלציה בלייזר ננו-שניות גורם להרס תרמי של הדגימה, והביטוי המקרוסקופי הוא שהעיבוד מייצר אזור גדול המושפע מחום.

3. עיבוד לייזר פיקו-שניות עיבוד לייזר פיקו-שניות הוא בין אבלציה של שיווי משקל תרמי בלייזר ננו-שניות לבין עיבוד קר בלייזר פמטו-שניות. משך הפולס מצטמצם משמעותית, מה שמפחית מאוד את הנזק הנגרם על ידי האזור המושפע מחום.

4. עיבוד לייזר פמטו-שניות טכנולוגיית לייזר אולטרה-מהירה מביאה הזדמנויות לעיבוד יהלומים עדינים, אך העלות הגבוהה ועלות התחזוקה הגבוהה של לייזרים פמטו-שניות מגבילות את קידום שיטות העיבוד. נכון לעכשיו, רוב המחקרים הרלוונטיים נותר בשלב המעבדה.

מַסְקָנָה

מ"אי יכולת לחתוך" ל"גילוף כרצונו", טכנולוגיית הלייזר הפכהיַהֲלוֹם לא עוד "אגרטל" לכוד במעבדה. עם איטרציה של הטכנולוגיה, בעתיד אנו עשויים לראות: שבבי יהלום המפזרים חום בטלפונים ניידים, מחשבים קוונטיים המשתמשים ביהלומים לאחסון מידע, ואפילו חיישני יהלום מושתלים בגוף האדם... ריקוד האור והיהלומים הזה משנה את חיינו.