Наука в името на диамантите: 3D маркиране с лазер

/КРОСС/ Учените от Физическия институт „Лебедев" (ФИАН) са разработили технология за маркиране на диаманти с помощтта на специални лазери, използвани в очната хирургия. Технологията не наранява скъпоценните камъни и позволява да се направи 3D маркиране.
Маркирането на диамантите помага да се засече нелегалното добиване и улеснява откриването на крадени бижута и скъпоценни камъни. В същото време е важно маркирането да не се отразява на естетическата стойност на камъните. Нашата лаборатория е разработила и патентовала методи за микро маркиране, които не повреждат диамантите и са невидими с просто око. Правим маркировката за секунди, като използваме фемтосекундни лазери, които подлагат диаманта на кратки, но много мощни лазерни импулси.

Лазер за ретина

От много време учените изследват въздействието на фемтосекундните лазери върху стъкло и дори върху живи клетки. Заедно с учени от Руска академия на науките към Централната клинична болница проведохме изследвания по време на фемтосекундна лазерна операция на очите и след това извършихме подобни експерименти с диаманти в Диамантената фабрика в Смоленск (Смоленск е град 400 км западно от Москва).

В резултат на това патентовахме два метода за маркиране на диаманти с фемтосекунден лазер. Те се различават по силата на въздействие на лазера.

При първия метод диамантът се подлага на лазерна радиация, което създава вътре в него по-висока концентрация на точкови дефекти, свободни места (празни полета в кристалната решетка на диаманта) и заставки (допълнително въглеродни атоми, разположени в междинното пространство). При втория метод чрез точково отслабване на кристалната решетка лазерът създава микроскопични графитни петънца вътре в диаманта.

Заслужава си да се отбележи, че по-рано учени от Националната лаборатория „Лоурънс Ливърмор" (Lawrence Livermore) в САЩ създадоха подобна технология, въпреки че използваха нискоенергийни електрони, а не лазери. Трябва да се има предвид, че лазерната технология дава възможност маркировката да се направи триизмерна: лъчът може лесно да се фокусира на различна дълбочина вътре в диаманта - от микрометър до милиметър.

Как работи

При първия метод празните места в диаманта могат да бъдат обвързани с азотни атоми, каквито има в диамантите в различна концентрация, и да се образуват азотни капсули - дефект, който е изключително полезен за маркирането на диаманта. Когато са изложени на видима светлина с определен спектър, NV-центровете стават флуоресцентни. След тази форма на микро-маркировка диамантът остава напълно прозрачен. Тази маркировка може да се види само когато през кристала премине мощен лазер в зелената зона на спектъра: маркировката започва да излъчва червена светлина.

Използването на фемтосекунден лазер дава възможност да се постигне по-локализиран ефект вътре в диаманта: с използването на малки струпвания на NV-центрове, да се постави необходимата „картинка" (рисунка, бар-код, текст), която няма да увреди качеството на камъка или неговата стойност. В резултат микроскопични дефекти се получават само вътре в диаманта, а не на повърхността. Тези дефекти са по-големи от няколко микрона и именно заради това са невидими за невъоръженото око.

При втория метод без специално осветление микроскопичните петънца от графитни частици, създадени от лазера, не могат да бъдат видяни дори през микроскоп. Този тип маркировка не може да бъде унищожен, без разбиването на кристала. Например с помощта на експеримент сме „гравирали" микрологото на компанията в камък на Диамантената фабрика в Смоленск.

Автор: Сергей Кудряшов е старши научен сътрудник в очната лазерна лаборатория на ФИАН sikudr@sci.lebedev.ru. Завършил е Московския държавен университет. Той е стажувал в Института по лазерна, плазмена и радиационна физика на Университета в Есен, Германия, където изучава взаимодействието на ултракратки лазерни импулси с материята. Между 2001 г. и 2006 г. е работил в Университета на Флорида и в Университета на Арканзас в САЩ. Той е съавтор на близо 150 научни статии и пет патента в САЩ и Русия /Руски Дневник/.