Лазерная абляция

Процесс, при котором материал удаляется из объекта путем нагрева его лазером.

Получение наночастиц лазером в растворе

Лазерная абляция образца, похожего на астероид

Лазерная абляция или фотоабляция (также называемая лазерной струйной обработкой ^{[1] [2] [3]} ) — это процесс удаления материала с твердой (или иногда жидкой) поверхности путем облучения ее лазерным лучом. При низком потоке лазера материал нагревается поглощенной лазерной энергией и испаряется или сублимируется . При высоком потоке лазера материал обычно преобразуется в плазму . Обычно лазерная абляция относится к удалению материала с помощью импульсного лазера , но возможно абляция материала с помощью непрерывного лазерного луча, если интенсивность лазера достаточно высока. В то время как относительно длинные лазерные импульсы (например, наносекундные импульсы) могут нагревать и термически изменять или повреждать обрабатываемый материал, сверхкороткие лазерные импульсы (например, фемтосекундные) вызывают лишь минимальное повреждение материала во время обработки из-за сверхкороткого взаимодействия света с веществом и поэтому также подходят для обработки микроматериалов. ^[4] Эксимерные лазеры глубокого ультрафиолетового света в основном используются при фотоабляции; длина волны лазера, используемого при фотоабляции, составляет приблизительно 200 нм.

Основы

Глубина, на которой поглощается лазерная энергия, и, следовательно, количество материала, удаляемого одним лазерным импульсом, зависит от оптических свойств материала, длины волны лазера и длительности импульса. Общая масса, удаляемая из мишени за один лазерный импульс, обычно называется скоростью абляции. Такие характеристики лазерного излучения, как скорость сканирования лазерного луча и покрытие линий сканирования, могут существенно влиять на процесс абляции. ^[5]

Лазерные импульсы могут варьироваться в очень широком диапазоне длительности ( от миллисекунд до фемтосекунд ) и потоков, и их можно точно контролировать. Это делает лазерную абляцию очень ценной как для исследовательских, так и для промышленных применений.

Приложения

Простейшим применением лазерной абляции является контролируемое удаление материала с твердой поверхности. Лазерная обработка и, в частности, лазерное сверление являются примерами; импульсные лазеры могут сверлить чрезвычайно маленькие, глубокие отверстия в очень твердых материалах. Очень короткие лазерные импульсы удаляют материал так быстро, что окружающий материал поглощает очень мало тепла, поэтому лазерное сверление можно выполнять на деликатных или термочувствительных материалах, включая зубную эмаль ( лазерная стоматология ). Несколько рабочих использовали лазерную абляцию и газовую конденсацию для получения наночастиц металла, оксидов металлов и карбидов металлов.

Кроме того, лазерная энергия может избирательно поглощаться покрытиями, особенно на металле, поэтому _{импульсные} лазеры CO2 или Nd:YAG можно использовать для очистки поверхностей, удаления краски или покрытия или подготовки поверхностей к покраске без повреждения подлежащей поверхности. Лазеры высокой мощности очищают большое пятно одним импульсом. Лазеры низкой мощности используют много небольших импульсов, которые могут сканировать по всей площади. В некоторых отраслях промышленности лазерную абляцию можно называть лазерной очисткой.

Промышленный чистящий лазер мощностью 500 Вт.

Одним из преимуществ является то, что не используются растворители, поэтому он экологически безопасен, и операторы не подвергаются воздействию химикатов (при условии, что не испаряется ничего вредного). ^{[ требуется цитата ]} Его относительно легко автоматизировать. Эксплуатационные расходы ниже, чем при струйной обработке сухими средами или сухим льдом , хотя капитальные вложения намного выше. Процесс мягче, чем абразивные методы, например, углеродные волокна в композитном материале не повреждаются. Нагрев мишени минимален.

Другой класс приложений использует лазерную абляцию для переработки удаленного материала в новые формы, которые невозможно или трудно произвести другими способами. Недавним примером является производство углеродных нанотрубок .

Лазерная очистка также используется для эффективного удаления ржавчины с железных предметов; удаления масла или жира с различных поверхностей; реставрации картин, скульптур, фресок. Лазерная абляция является одним из предпочтительных методов очистки резиновых форм из-за минимального повреждения поверхности формы.

В марте 1995 года Го и др. ^[6] первыми сообщили об использовании лазера для абляции блока чистого графита , а позднее графита, смешанного с каталитическим металлом . ^[7] Каталитический металл может состоять из таких элементов, как кобальт , ниобий , платина , никель , медь или их бинарной комбинации. Композитный блок формируется путем изготовления пасты из графитового порошка, углеродного цемента и металла. Затем паста помещается в цилиндрическую форму и выпекается в течение нескольких часов. После затвердевания графитовый блок помещается в печь с направленным на него лазером, и газ аргон прокачивается вдоль направления лазерной точки. Температура печи составляет приблизительно 1200 °C. Когда лазер удаляет цель, образуются углеродные нанотрубки , которые переносятся потоком газа на холодный медный коллектор. Подобно углеродным нанотрубкам, образованным с использованием техники электродугового разряда , волокна углеродных нанотрубок осаждаются беспорядочно и запутанно. Однослойные нанотрубки образуются из блока графита и частиц металлического катализатора, тогда как многослойные нанотрубки образуются из чистого исходного материала — графита.

Разновидностью этого типа применения является использование лазерной абляции для создания покрытий путем абляции материала покрытия из источника и его осаждения на покрываемой поверхности; это особый тип физического осаждения из паров , называемый импульсным лазерным осаждением (PLD), ^[8] и может создавать покрытия из материалов, которые невозможно легко испарить каким-либо другим способом. Этот процесс используется для производства некоторых типов высокотемпературных сверхпроводников и лазерных кристаллов. ^[9]

Дистанционная лазерная спектроскопия использует лазерную абляцию для создания плазмы из поверхностного материала; состав поверхности можно определить, анализируя длины волн света, излучаемого плазмой.

Лазерная абляция также используется для создания рисунка, выборочно удаляя покрытие с дихроичного фильтра. Эти продукты используются в сценическом освещении для высокоразмерных проекций или для калибровки инструментов машинного зрения.

Движение

Наконец, лазерная абляция может использоваться для передачи импульса поверхности, поскольку удаляемый материал прикладывает импульс высокого давления к поверхности под собой по мере своего расширения. Эффект аналогичен удару молотком по поверхности. Этот процесс используется в промышленности для упрочнения металлических поверхностей и является одним из механизмов повреждения лазерного оружия . Он также является основой импульсного лазерного движения для космических аппаратов.

Производство

В настоящее время разрабатываются процессы для использования лазерной абляции при удалении термобарьерного покрытия на компонентах газовых турбин высокого давления. Благодаря низкому подводу тепла удаление TBC может быть выполнено с минимальным повреждением нижележащих металлических покрытий и исходного материала.

Производство 2D материалов

Лазерная абляция в жидкой фазе является эффективным методом для расслоения объемных материалов в их двумерные (2D) формы, такие как черный фосфор. Изменяя растворитель и энергию лазера, можно контролировать толщину и поперечный размер двумерных материалов. ^[10]

Химический анализ

Лазерная абляция используется в качестве метода отбора проб для элементного и изотопного анализа и заменяет традиционные трудоемкие процедуры, обычно необходимые для разложения твердых образцов в кислотных растворах. Отбор проб лазерной абляции обнаруживается путем мониторинга фотонов, испускаемых на поверхности образца - технология, называемая LIBS ( Laser Induced Breakdown Spectroscopy ) и LAMIS (Laser Ablation Molecular Isotopic Spectrometry), или путем транспортировки аблированных массовых частиц к вторичному источнику возбуждения, такому как индуктивно связанная плазма . Как масс-спектроскопия (МС), так и оптическая эмиссионная спектроскопия (ОЭС) могут быть объединены с ИСП. Преимущества отбора проб лазерной абляции для химического анализа включают отсутствие подготовки проб, отсутствие отходов, минимальные требования к пробе, отсутствие требований к вакууму, быстрое время выполнения анализа пробы, пространственное (глубинное и латеральное) разрешение и химическое картирование. Химический анализ с помощью лазерной абляции применим практически во всех отраслях промышленности, таких как горнодобывающая промышленность, геохимия, энергетика, экология, промышленная переработка, безопасность пищевых продуктов, судебная экспертиза ^[11] и биология. ^{[12] [13]} Коммерческие приборы доступны для всех рынков для измерения каждого элемента и изотопа в образце. Некоторые приборы сочетают в себе как оптическое, так и массовое обнаружение для расширения охвата анализа и динамического диапазона чувствительности.

Биология

Лазерная абляция используется в науке для разрушения нервов и других тканей с целью изучения их функций. Например, у вида прудовой улитки Helisoma trivolvis можно удалить сенсорные нейроны лазером, когда улитка еще находится в стадии эмбриона, чтобы предотвратить использование этих нервов. ^[14]

Другим примером является личинка трохофоры Platynereis dumerilii , у которой личиночный глаз был удален, и личинка больше не была фототаксической. ^[15] Однако фототаксис у личинки нектохеты Platynereis dumerilii не опосредован личиночными глазами, потому что личинка все еще фототаксическая, даже если личиночные глаза удалены. Но если глаза взрослой особи удалены, то нектохета больше не является фототаксической, и, таким образом, фототаксис у личинки нектохеты опосредован взрослыми глазами. ^[16]

Лазерную абляцию также можно использовать для разрушения отдельных клеток в период эмбриогенеза организма, например, Platynereis dumerilii , для изучения эффекта отсутствующих клеток в процессе развития.

Лекарство

В медицине для абляции используется несколько типов лазеров , включая аргоновый , углекислотный (CO2 ₎ , краситель , эрбиевый , эксимерный , Nd:YAG и другие. Лазерная абляция используется в различных медицинских специальностях, включая офтальмологию , общую хирургию , нейрохирургию , ЛОР , стоматологию , челюстно-лицевую хирургию и ветеринарию . ^[17] Лазерные скальпели используются для абляции как в хирургии твердых , так и мягких тканей . Некоторые из наиболее распространенных процедур, где используется лазерная абляция, включают LASIK , ^[18] шлифовку кожи , подготовку полостей, биопсию , а также удаление опухолей и поражений. ^[19] В хирургии твердых тканей короткие импульсные лазеры, такие как Er:YAG или Nd:YAG, удаляют ткань в условиях стресса или инерционного ограничения. ^[20] При хирургии мягких тканей луч лазера CO2 _{одновременно} осуществляет абляцию и прижигание, что делает его наиболее практичным и распространенным лазером для мягких тканей. ^[21]

Лазерная абляция может быть использована на доброкачественных и злокачественных поражениях в различных органах, что называется лазерно-индуцированной интерстициальной термотерапией. Основные применения в настоящее время включают уменьшение доброкачественных узлов щитовидной железы ^[22] и разрушение первичных и вторичных злокачественных поражений печени. ^{[23] [24]}

Лазерная абляция также используется для лечения хронической венозной недостаточности . ^[25]

См. также абляционную хирургию головного мозга .

Механизм

Динамика материала

Хорошо зарекомендовавшая себя структура для лазерной абляции называется двухтемпературной моделью Каганова и Анисимова. ^[26] В ней энергия лазерного импульса поглощается твердым материалом, напрямую стимулируя движение электронов и передавая тепло решетке, которая лежит в основе кристаллической структуры твердого тела. Таким образом, двумя переменными являются: сама электронная температура и температура решетки . Их дифференциальные уравнения, как функции глубины , задаются как ${\displaystyle T_{e}}$ ${\displaystyle T_{l}}$ ${\displaystyle x}$

$${\displaystyle c_{e}{\frac {\partial T_{e}}{\partial t}}={\frac {\partial }{\partial x}}(\kappa _{e}{\frac {\partial T_{e}}{\partial x}})-K_{e,l}(T_{e}-T_{l})+Q(t),}$$

$${\displaystyle c_{l}{\frac {\partial T_{l}}{\partial t}}=K_{e,l}(T_{e}-T_{l}).}$$

Здесь и — удельная теплоемкость электронов и решетки соответственно, — электронная теплопроводность, — тепловая связь между электронными и (решеточными) фононными системами, — энергия лазерного импульса, поглощаемая объемом, обычно характеризуемая флюенсом. Некоторые приближения могут быть сделаны в зависимости от параметров лазера и их связи с временными масштабами тепловых процессов в мишени, которые различаются в зависимости от того, является ли мишень металлической или диэлектрической. ${\displaystyle c_{e}}$ ${\displaystyle c_{l}}$ ${\displaystyle \kappa _{e}}$ ${\displaystyle K_{e,l}}$ ${\displaystyle Q(t)}$

Одним из важнейших экспериментальных параметров для характеристики мишени является порог абляции, который представляет собой минимальный поток, при котором определенный атом или молекула наблюдается в абляционном шлейфе. Этот порог зависит от длины волны лазера и может быть смоделирован с учетом потенциала Леннарда-Джонса между атомами в решетке и только в течение определенного времени температурной эволюции, называемого гидродинамической стадией. Однако обычно это значение определяется экспериментально.

Двухтемпературная модель может быть расширена в каждом конкретном случае. Одно из заметных расширений касается генерации плазмы. Для сверхкоротких импульсов (которые предполагают большую плотность потока) было предложено, что кулоновский взрыв также играет роль ^[26], поскольку энергия лазера достаточно высока для генерации ионов в абляционном шлейфе. Значение электрического поля было определено для порога кулоновского взрыва и задается как

$${\displaystyle E={\sqrt {\frac {2\Lambda n_{0}}{\epsilon \epsilon _{0}}}},}$$

где — энергия сублимации на атом, — плотность атомной решетки, — диэлектрическая проницаемость. ${\displaystyle \Lambda }$ ${\displaystyle n_{0}}$ ${\displaystyle \epsilon }$

Динамика шлейфа

Некоторые приложения импульсной лазерной абляции фокусируются на обработке и отделке аблированного материала, но другие приложения интересуются материалом, выбрасываемым из мишени. В этом случае характеристики абляционного шлейфа более важны для моделирования.

Теория Анисимова рассматривала эллиптическое газовое облако, растущее в вакууме. В этой модели тепловое расширение доминирует над начальной динамикой, с небольшим влиянием кинетической энергии, ^[26] но математическое выражение зависит от предположений и условий в экспериментальной установке. Такие параметры, как чистота поверхности, предварительная подготовка пятна на мишени или угол лазерного луча по отношению к нормали поверхности мишени, являются факторами, которые следует учитывать при наблюдении угла расхождения динамики струи или ее выхода.

Смотрите также

• Лазерная абляция астероидов
• Дентальный лазер
• Спектроскопия лазерно-индуцированного пробоя
• ЛАСЕК
• ЛАСИК
• Лазерная сварка
• Лазерная резка
• Лазерная гравировка
• Лазерный скальпель
• Лазерная хирургия
  • Лазерная хирургия мягких тканей
• Список статей о лазерах
• Матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация
• Очистка деталей
• Оптический пробой фотоионизационного режима (ОБ) в режиме фотоионизации
• Мягкое переоснащение

Ссылки

1. «Понимание лазерной струйной обработки». BlastOne International. 2019.
2. «Лазерная струйная обработка заменяет абразивную струйную обработку». Laser Photonics. 18 сентября 2018 г.
3. Хоакин Пениде; Хесус дель Валь; Антонио Ривейро; Рамон Сото; Рафаэль Комсанья; Феликс Кинтеро; Мохамед Бутингиса; Фернандо Лускиньос; Хуан Поу (3 декабря 2018 г.). «Лазерная очистка поверхности гранитных камней с использованием системы лазерного сканирования». Покрытия . 9 (2) (Обработка поверхности лазерными методами, под ред.). MDPI (опубликовано 19 февраля 2019 г.): 131. doi : 10.3390/coatings9020131 .
4. Чичков, Б. Н.; Момма, К.; Нольте, С.; Фон Альвенслебен, Ф.; Тюннерманн, А. (август 1996 г.). «Фемтосекундная, пикосекундная и наносекундная лазерная абляция твердых тел». Applied Physics A . 63 (2): 109–115. Bibcode :1996ApPhA..63..109C. doi :10.1007/BF01567637. S2CID  95436515.
5. Вейко ВП; Скворцов АМ; Хюинь Конг Ту; Петров АА (2015). "Лазерная абляция монокристаллического кремния под действием импульсно-частотного волоконного лазера". Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики . 15 (3): 426. doi : 10.17586/2226-1494-2015-15-3-426-434 .
6. Guo T, Николаев P, Rinzler D, Tomanek DT, Colbert DT, Smalley RE (1995). «Самосборка трубчатых фуллеренов». J. Phys. Chem. 99 (27): 10694–7. doi :10.1021/j100027a002.
7. Guo T, Nicholas P, Thess A, Colbert DT, Smalley RE (1995). «Каталитический рост однослойных нанотрубок с помощью лазерного испарения». Chem. Phys. Lett. 243 (1–2): 49–54. Bibcode :1995CPL...243...49G. doi :10.1016/0009-2614(95)00825-O.
8. Роберт Исон - Импульсное лазерное осаждение тонких пленок: Прикладной рост функциональных материалов . Wiley-Interscience , 2006, ISBN 0471447099 
9. Грант-Джейкоб, Джеймс А.; Бичер, Стивен Дж.; Парсонейдж, Тина Л.; Хуа, Пинг; Маккензи, Джейкоб И.; Шеперд, Дэвид П.; Исон, Роберт В. (2016-01-01). "11,5 Вт Yb:YAG планарный волноводный лазер, изготовленный с помощью импульсного лазерного осаждения" (PDF) . Optical Materials Express . 6 (1): 91. Bibcode :2016OMExp...6...91G. doi : 10.1364/ome.6.000091 . ISSN  2159-3930.
10. Чжэн, Вейран; Ли, Чонён; Гао, Чжи-Вэнь; Ли, Юн; Линь, Шэнхуан; Лау, Шу Пин; Ли, Лоуренс Юн Сук (30 июня 2020 г.). «Сверхбыстрое отшелушивание черного фосфора в жидкости с помощью лазера с настраиваемой толщиной для литий-ионных аккумуляторов». Advanced Energy Materials . 10 (31): 1903490. Bibcode : 2020AdEnM..1003490Z. doi : 10.1002/aenm.201903490. hdl : 10397/100139 . S2CID  225707528.
11. Орельяна, Франсиско Аламилья; Гальвес, Сезар Гонсалес; Орельяна, Франсиско Аламилья; Гальвес, Сезар Гонсалес; Рольдан, Мерседес Торре; Гарсиа-Руис, Кармен; Рольдан, Мерседес Торре; Гарсиа-Руис, Кармен (2013). «Применение масс-спектрометрии с лазерной абляцией и индуктивно-связанной плазмой в химическом анализе судебно-медицинских доказательств». TrAC Тенденции в аналитической химии . 42 : 1–34. doi :10.1016/j.trac.2012.09.015. ISSN  0165-9936.
12. Ургаст, Дагмар С.; Битти, Джон Х.; Фельдманн, Йорг (2014). «Визуализация микроэлементов в тканях». Current Opinion in Clinical Nutrition and Metabolic Care . 17 (5): 431–439. doi :10.1097/MCO.00000000000000087. ISSN  1363-1950. PMID  25023186. S2CID  28702007.
13. Pozebon, Dirce; Scheffler, Guilherme L.; Dressler, Valderi L.; Nunes, Matheus AG (2014). «Обзор приложений лазерной абляции с индуктивно связанной плазмой (LA-ICP-MS) для анализа биологических образцов». J. Anal. At. Spectrom . 29 (12): 2204–2228. doi :10.1039/C4JA00250D. ISSN  0267-9477.
14. Куанг С., Доран СА., Уилсон Р.Дж., Госс Г.Г., Голдберг ДЖ.И. (2002). «Серотонинергические сенсомоторные нейроны опосредуют поведенческий ответ на гипоксию у эмбрионов прудовой улитки». J. Neurobiol. 52 (1): 73–83. doi :10.1002/neu.10071. PMID  12115895.
15. Жекели, Гаспар; Коломбелли, Жюльен; Хаузен, Харальд; Гай, Керен; Штельцер, Эрнст; Неделек, Франсуа; Арендт, Детлев (20 ноября 2008 г.). «Механизм фототаксиса морского зоопланктона». Природа . 456 (7220): 395–399. Бибкод : 2008Natur.456..395J. дои : 10.1038/nature07590 . ПМИД  19020621.
16. Рэндел, Надин; Асадулина, Альбина; Безарес-Кальдерон, Луис А; Верасто, Чаба; Уильямс, Элизабет А; Конзельманн, Маркус; Шахиди, Реза; Жекели, Гаспар (27 мая 2014 г.). «Нейрональный коннектом сенсомоторной цепи зрительной навигации». электронная жизнь . 3 . doi : 10.7554/eLife.02730 . ПМК 4059887 . ПМИД  24867217. 
17. Бергер, Ноэль А.; Ээг, Питер Х. (2008-01-09). Ветеринарная лазерная хирургия: практическое руководство. John Wiley & Sons . ISBN 9780470344125.
18. Munnerlyn, CR; Koons, SJ; Marshall, J. (1988-01-01). «Фоторефракционная кератэктомия: метод лазерной рефракционной хирургии». Журнал катаракты и рефракционной хирургии . 14 (1): 46–52. doi :10.1016/s0886-3350(88)80063-4. ISSN  0886-3350. PMID  3339547. S2CID  22191491.
19. "Использование лазера в стоматологии". WebMD . Получено 2017-02-17 .
20. Itzkan, I; Albagli, D; Dark, ML; Perelman, LT; von Rosenberg, C; Feld, MS (1995-03-14). "Термоупругая основа короткоимпульсной лазерной абляции биологической ткани". Труды Национальной академии наук . 92 (6): 1960–1964. Bibcode : 1995PNAS...92.1960I. doi : 10.1073/pnas.92.6.1960 . ISSN  0027-8424. PMC 42402. PMID 7892208  . 
21. Фогель, Альфред; Венугопалан, Васан (2003-02-01). "Механизмы импульсной лазерной абляции биологических тканей" (PDF) . Chemical Reviews . 103 (2): 577–644. doi :10.1021/cr010379n. ISSN  0009-2665. PMID  12580643.
22. Валкави, Роберто; Риганти, Фабрицио; Бертани, Анджело; Формизано, Дебора; Пачелла, Клаудио М. (2010). «Чрескожная лазерная абляция холодных доброкачественных узлов щитовидной железы: 3-летнее последующее исследование у 122 пациентов». Thyroid . 20 (11): 1253–1261. doi :10.1089/thy.2010.0189. ISSN  1050-7256. PMID  20929405.
23. Pacella, Claudio Maurizio; Francica, Giampiero; Di Lascio, Francesca Marta Lilja; et al. (2009). «Долгосрочные результаты лечения пациентов с циррозом и ранней гепатоцеллюлярной карциномой с помощью чрескожной лазерной абляции под контролем ультразвука: ретроспективный анализ». Journal of Clinical Oncology . 27 (16): 2615–2621. doi : 10.1200/JCO.2008.19.0082 . ISSN  0732-183X. PMID  19332729. S2CID  23374952.
24. Pompili M; Pacella CM; Francica G; Angelico M; Tisone G; Craboledda P; Nicolardi E; Rapaccini GL; Gasbarrini G . (Июнь 2010 г.). «Чрескожная лазерная абляция гепатоцеллюлярной карциномы у пациентов с циррозом печени, ожидающих трансплантацию печени». European Journal of Radiology . 74 (3): e6–e11. doi :10.1016/j.ejrad.2009.03.012. PMID  19345541.
25. "Венозная термическая абляция венозных заболеваний". Клиника Кливленда . Получено 10 августа 2015 г.
26. Фиппс, Клод Р. (2007). Лазерная абляция и ее применение . Springer.

Библиография

• Оксфордский краткий медицинский словарь, 2002, 6-е издание, ISBN 0-19-860459-9