Jump to content

Лазерная абляция

(Перенаправлено с фотоабляцией )
Подготовка наночастиц лазером в растворе
Лазерная абляция астероидного образца

Лазерная абляция или фотоабляция (также называемая лазерной взрывом [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] ) - это процесс удаления материала с твердой (или иногда жидкой) поверхности, облучая его лазерным лучом. При низком лазерном потоке материал нагревается поглощенной лазерной энергией и испаряется или сублиматы . При высоком лазерном потоке материал обычно преобразуется в плазму . Обычно лазерная абляция относится к удалению материала с помощью импульсного лазера , но это возможно абляционировать материал с непрерывным волновым лазерным пучком, если интенсивность лазера достаточно высока. В то время как относительно длинные лазерные импульсы (например, наносекундные импульсы) могут нагревать и термически изменять или повредить обработанный материал, ультрахолочные лазерные импульсы (например, Femtoseconds) приводят к минимальному повреждению материала во время обработки из-за ультрахорного взаимодействия светового материала и, следовательно, также подходят для микроматериала во время обработки из-за ультрахорного взаимодействия света и также подходят для микроматериала во время обработки из-за ультрашественного взаимодействия. обработка. [ 4 ] Экстимеров-лазеры глубокого ультрафиолетового света в основном используются в фотоаблации; Длина волны лазера, используемой на фотоабляции, составляет приблизительно 200 нм.

Глубина, на которой поглощается лазерная энергия, и, следовательно, количество материала, удаленного одним лазерным импульсом, зависит от оптических свойств материала, а также длины волны лазера и длины импульса. Общая масса, подкрепленная цели на лазерный импульс, обычно называется скоростью абляции. Такие особенности лазерного излучения, как скорость сканирования лазерного луча и покрытие линий сканирования, могут значительно повлиять на процесс абляции. [ 5 ]

Лазерные импульсы могут варьироваться в зависимости от очень широкого диапазона продолжительности ( миллисекунд до фемтосекунд ) и потоков, и могут точно контролировать. Это делает лазерную абляцию очень ценной как для исследований, так и для промышленного применения.

Приложения

[ редактировать ]

Самое простое применение лазерной абляции - удалять материал с твердой поверхности контролируемой. Лазерная обработка и особенно лазерное бурение являются примерами; Импульсные лазеры могут просверлить чрезвычайно маленькие глубокие отверстия через очень твердые материалы. Очень короткие лазерные импульсы удаляют материал так быстро, что окружающий материал поглощает очень мало тепла, поэтому лазерное бурение может быть сделано на деликатных или чувствительных к тепло, включая эмаль зубов ( лазерная стоматология ). Несколько работников использовали лазерную абляцию и газовую конденсацию для производства нано -частиц металла, оксидов металлов и металлических карбидов.

Кроме того, лазерная энергия может быть избирательно поглощаться покрытиями, особенно на металле, поэтому CO 2 или ND: UAG для очистки поверхностей, для очистки поверхностей, удаления краски или покрытия можно использовать , или приготовление поверхностей для покраски без повреждения нижней поверхности. Лазеры с высокой мощностью очищают большое место одним импульсом. Нижние мощные лазеры используют много небольших импульсов, которые могут быть отсканированы по всей территории. В некоторых отраслях лазерная абляция может быть названа лазерной очисткой.

Индустриальный 500 Вт очищающий лазер.

Одним из преимуществ является то, что растворители не используются, поэтому он является экологически чистым, и операторы не подвергаются воздействию химических веществ (при условии, что ничего вредного не является испаренным). [ Цитация необходима ] Относительно легко автоматизировать. Затраты на работу ниже, чем в сухой среде или взрыве сухого льда , хотя затраты на капитальные инвестиции намного выше. Процесс более мягкий, чем абразивные методы, например, углеродные волокна в составном материале не повреждены. Нагрев цели минимально.

Другой класс приложений использует лазерную абляцию для обработки материала, удаленного в новые формы, либо невозможные, либо трудно произвести другими способами. Недавним примером является производство углеродных нанотрубок .

Лазерная очистка также используется для эффективного удаления ржавчины из железных объектов; Снятие масла или смазки с различных поверхностей; Восстановление картин, скульптур, фресков. Лазерная абляция является одним из предпочтительных методов очистки резиновой плесени из -за минимального повреждения поверхности формы.

В марте 1995 года Guo et al. [ 6 ] Были первыми, кто сообщил об использовании лазера , чтобы поднять блок чистого графита , а затем графит, смешанный с каталитическим металлом . [ 7 ] Каталитический металл может состоять из таких элементов, как кобальт , ниобиум , платина , никель , медь или их бинарная комбинация. Композитный блок образуется путем изготовления пасты графитового порошка, углеродного цемента и металла. Затем паста помещается в цилиндрическую форму и выпекается в течение нескольких часов. После затвердевания графитный блок помещается в духовку с лазером, направленным на нее, а газ аргона накачивается вдоль направления лазерной точки. Температура духовки составляет приблизительно 1200 ° C. По мере того, как лазер собирает цель, углеродные нанотрубки образуются и переносятся газовым потоком на классный медный сборщик. Подобно углеродным нанотрубкам, образованным с использованием техники выделения электрического органа , волокна углеродных нанотрубок осаждаются случайным и запутанным образом. Одностенные нанотрубки образуются из блока частиц графитового и металлического катализатора, тогда как многостенные нанотрубки образуются из начального материала чистого графита.

Изменение этого типа применения состоит в том, чтобы использовать лазерную абляцию для создания покрытий путем поднятия материала покрытия из источника и отложения на поверхности для покрытия; Это особый тип физического осаждения паров , называемого пульсированным лазерным осаждением (PLD), [ 8 ] и может создавать покрытия из материалов, которые не могут быть легко испариваться по -другому. 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; Композиция поверхности может быть определена путем анализа длина волн света, излучаемого плазмой.

Лазерная абляция также используется для создания шаблона, удаления селективного покрытия из дихроичного фильтра. Эти продукты используются в сценическом освещении для высокомерных проекций или для калибровки инструментов Machine Vision.

Движитель

[ редактировать ]

Наконец, лазерная абляция может быть использована для переноса импульса на поверхность, поскольку абляционный материал применяет импульс высокого давления на поверхность под ним по мере расширения. Эффект похож на удары по поверхности молотком. Этот процесс используется в промышленности для рабочих металлических поверхностей и является одним из механизмов повреждения для лазерного оружия . Это также основание импульсного лазерного движения для космического корабля.

Производство

[ редактировать ]

В настоящее время разрабатываются процессы для использования лазерной абляции при удалении термического барьерного покрытия на компонентах газовых турбин высокого давления. Из -за низкого теплового входа удаление TBC может быть завершено с минимальным повреждением базовых металлических покрытий и родительского материала.

2D материалы производство

[ редактировать ]

Лазерная абляция в жидкой фазе является эффективным методом отшелушивания объемных материалов в их двумерные (2D) формы, такие как черный фосфор. Изменяя энергию растворителя и лазера, толщину и боковой размер двухмерных материалов можно контролировать. [ 10 ]

Химический анализ

[ редактировать ]

Лазерная абляция используется в качестве метода отбора проб для элементарного и изотопного анализа и заменяет традиционные трудоемкие процедуры, обычно необходимые для переваривания образцов твердых твердых изделий в кислотных растворах. Лазерная абляционная выборка обнаруживается путем мониторинга фотонов, выделяемых на поверхности образца - технологии, называемой LIBS ( лазерная спектроскопия расщепления ) и LASER (лазерная абляция молекулярная изотопная спектрометрия) или путем транспортировки частиц массы во второе исходное исход, источник возбуждения. Как индуктивно связанная плазма . Как масс -спектроскопия (MS), так и спектроскопия оптической излучения (OE) могут сочетаться с ICP. Преимущества отбора проб лазерной абляции для химического анализа включают в себя отсутствие подготовки образца, отсутствие отходов, минимальные требования к образцу, отсутствие требований к вакууму, быстрое время поворота образца, пространственное (глубинное и боковое) разрешение и химическое картирование. Лазерный абляционный химический анализ жизнеспособен практически для всех отраслей, таких как добыча полезных ископаемых, геохимия, энергетика, экологическая, промышленная обработка, безопасность пищевых продуктов, судебно -медицинская экспертиза [ 11 ] и биологический. [ 12 ] [ 13 ] Коммерческие инструменты доступны для всех рынков для измерения каждого элемента и изотопа в образце. Некоторые инструменты объединяют как оптическое, так и массовое обнаружение для расширения охвата анализа, и динамический диапазон чувствительности.

Биология

[ редактировать ]

Лазерная абляция используется в науке для уничтожения нервов и других тканей для изучения их функции. Например, вид Pond Snail , Helisoma Trivolvis , может иметь свои сенсорные нейроны лазерные, когда улитка все еще является эмбрионом для предотвращения использования этих нервов. [ 14 ]

Другим примером является трохофора личинка Platynereis dumerilii , где личиночный глаз был удален, а личинки больше не были фототаксическими. [ 15 ] Однако фототаксис в личинке нектокате из Platynereis dumerilii не опосредована личинками, потому что личинка все еще фототаксическая, даже если глаза личинки поднимаются. Но если взрослые глаза удаляются, то нектохате больше не фототаксический, и, таким образом, фототаксис в личинке нектохате опосредована глазами взрослых. [ 16 ]

Лазерная абляция также может быть использована для уничтожения отдельных клеток во время эмбриогенеза организма, такого как Platynereis dumerilii , для изучения эффекта пропущенных клеток во время развития.

Лекарство

[ редактировать ]

Есть несколько лазерных типов, используемых в медицине для абляции, включая аргона , углекислый газ (CO 2 ), краситель , эрбий , эксимер , ND: YAG и другие. Лазерная абляция используется в различных медицинских специальностях, включая офтальмологию , общую хирургию , нейрохирургию , ЛОР , стоматологию , пероральную и челюсную лицевую хирургию и ветеринарную . [ 17 ] Лазерные скальпели используются для абляции как в жестких , так и в мягких тканевых операциях . Некоторые из наиболее распространенных процедур, в которых используется лазерная абляция, включают Lasik , [ 18 ] Защита кожи , препарат полости, биопсию и удаление опухоли и поражения. [ 19 ] В операциях с жесткой тканей короткие импульсные лазеры, такие как ER: YAG или ND: YAG, абляция ткани в условиях стресса или инерционных условий заключения. [ 20 ] В операциях с мягкими тканями лазерные луча CO 2 и прижигают одновременно, делая его наиболее практичным и наиболее распространенным лазером мягких тканей. [ 21 ]

Лазерная абляция может использоваться при доброкачественных и злокачественных поражениях в различных органах, которые называются лазерной индуцированной интерстициальной термотерапией. Основные приложения в настоящее время включают снижение 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 аблятивная хирургия головного мозга .

Механизм

[ редактировать ]

Материальная динамика

[ редактировать ]

Хорошо известная структура для лазерной абляции называется двухтемпературной моделью Каганова и Анисимова. [ 26 ] В нем энергия от лазерного импульса поглощается твердым материалом, непосредственно стимулируя движение электронов и переносит тепло в решетку, которая лежит в основе кристаллической структуры твердого вещества. Таким образом, две переменные: сама температура электронов и температура решетки Полем Их дифференциальные уравнения, как функция глубины , даются

Здесь, и удельные теплоты электронов и решетки соответственно, Электронный теплопроводность, является тепловой связью между электронами и (решеткой) фононными системами и Является ли энергия лазерного импульса, поглощающая объем, обычно характеризуется флюенсом. Некоторые приближения могут быть сделаны в зависимости от параметров лазера и их отношения к временным масштабам тепловых процессов в цели, которые варьируются между мишенью металлической или диэлектриком.

Одним из наиболее важных экспериментальных параметров для характеристики цели является порог абляции, который является минимальной флюенсом, при которой в абляционном шлейфе наблюдается конкретный атом или молекула. Этот порог зависит от длины волны лазера и может быть смоделирован, предполагая потенциал Леннарда-Джонса между атомами в решетке и только в определенное время эволюции температуры, называемое гидродинамической стадией. Обычно, однако, это значение экспериментально определяется.

Двухтемпературная модель может быть расширена в каждом конкретном случае. Одно заметное расширение включает в себя генерацию плазмы. Для сверхпрочных импульсов (которые предполагают большую флейенс) было предложено, чтобы кулоновский взрыв также играет роль [ 26 ] Потому что лазерная энергия достаточно высока, чтобы генерировать ионы в шлейпе абляции. Значение для электрического поля было определено для порога кулоновской эксплуации и дано

где Является ли энергия сублимации на атом, это плотность атомной решетки и диэлектрическая диэлектрическая проницаемость.

Художественная динамика

[ редактировать ]

Некоторые применения импульсного лазерного абляционного фокусируются на обработке и отделке аблятируемого материала, но другие приложения заинтересованы в материале, выброшенном из цели. В этом случае характеристики абляционного шлейфа более важны для моделирования.

Теория Анисимова считалась эллиптическим газовым облаком, растущим в вакууме. В этой модели тепловое расширение доминирует в начальной динамике, с небольшим влиянием кинетической энергии, [ 26 ] Но математическое выражение подвержено предположениям и условиям в экспериментальной установке. Такие параметры, как поверхностная отделка, предварительное кондиционирование пятна на цели или угол лазерного пучка относительно нормальной части целевой поверхности, являются факторами, которые следует учитывать при наблюдении за углом дивергенции динамики шлейфа или ее урожайности.

Смотрите также

[ редактировать ]
  1. ^ «Понимание лазерного взрыва» . Blastone International. 2019.
  2. ^ «Лазерная взрыва заменяет абразивную взрыв» . Лазерная фотоника. 18 сентября 2018 года.
  3. ^ Хоакин -Пенид; Хесус дель Валь; Антонио Ривиро; Рамон Сото; Рафаэль Приходья; Феликс Кинтеро; Мохамед Бутисиза; Фернандо Лускиньос; Хуан Пу (3 декабря 2018 г.). «Поверхностная лазерная взрыва гранитных камней с использованием лазерной системы сканирования» . Покрытия . 9 (2) (Обработка поверхности с помощью лазерных методов изд.). MDPI (опубликовано 19 февраля 2019 г.): 131. DOI : 10.3390/COATINGS9020131 .
  4. ^ Chichkov, Bn; Мама, c; Nolte, S; Фон Альвенслбен, F; Tünnermann, A (август 1996 г.). «Фемтосекундная, пикосекундная и наносекундная лазерная абляция твердых веществ». Прикладная физика а . 63 (2): 109–115. Bibcode : 1996appha..63..109c . doi : 10.1007/bf01567637 . S2CID   95436515 .
  5. ^ VEIKO VP; Skvortsov Am; HUYNH CONG TU; Петров А.А. (2015). «Лазерная абляция монокристаллического кремния под пульсированным волокнистым лазером» . Научный и технический журнал информационных технологий, механиков и оптики . 15 (3): 426. doi : 10.17586/2226-1494-2015-15-3-426-434 .
  6. ^ Го Т., Николаев П., Ринцлер Д., Томанек Д.Т., Колбер Д.Т., Смалли Р.Е. (1995). «Самосборка трубчатых фуллеренов». J. Phys Химический 99 (27): 10694–7. doi : 10.1021/j100027a002 .
  7. ^ Го Т., Николаев П., Тесс А., Кольбер Д.Т., Смалли Р.Е. (1995). «Каталитический рост одностенных нанотрубок с помощью лазерной испарения». Химический Физический Летал 243 (1–2): 49–54. Bibcode : 1995cpl ... 243 ... 49G . doi : 10.1016/0009-2614 (95) 00825-O .
  8. ^ Роберт Ион - импульсное лазерное осаждение тонких пленок: применение рост функциональных материалов . Wiley-Interscience , 2006, ISBN   0471447099
  9. ^ Грант-Якоб, Джеймс А.; Бичер, Стивен Дж.; Parsonage, Tina L.; Хуа, Пинг; Маккензи, Джейкоб I.; Шепард, Дэвид П.; Eason, Robert W. (2016-01-01). «11,5 Вт YB: YAG Planar Waveguide Laser, изготовленный с помощью пульсированного лазерного осаждения» (PDF) . Оптические материалы экспресс . 6 (1): 91. Bibcode : 2016omexp ... 6 ... 91G . doi : 10.1364/ome.6.000091 . ISSN   2159-3930 .
  10. ^ Чжэн, Вейран; Ли, Чжонгён; Гао, Чжи-Вэнь; Ли, Юн; Лин, Шенхуан; Лау, Шу Пин; Ли, Лоуренс Юн Сук (30 июня 2020 года). «Ультрастадовое отшелушивание с лазерным с помощью черного фосфора в жидкости с настраиваемой толщиной для литий-ионных батарей». Усовершенствованные энергетические материалы . 10 (31): 1903490. Бибкод : 202020adenm..1003490Z . doi : 10.1002/aenm.201903490 . HDL : 10397/100139 . S2CID   225707528 .
  11. ^ Ореллана, Франциско Аламилла; Галвес, Сезар Гонсалес; Ореллана, Франциско Аламилла; Галвес, Сезар Гонсалес; Ролдан, Мерседес Торре; Гарсия-Руиз, Кармен; Ролдан, Мерседес Торре; Гарсия-Руиз, Кармен (2013). «Применение лазерной блетационной спектрометрии в химическом анализе судебных данных». Тенденции TRAC в аналитической химии . 42 : 1–34. Doi : 10.1016/j.trac.2012.09.015 . ISSN   0165-9936 .
  12. ^ Urgast, Dagmar S.; Битти, Джон Х.; Feldmann, Jörg (2014). «Визуализация следовых элементов в тканях». Современное мнение клинического питания и метаболической помощи . 17 (5): 431–439. doi : 10.1097/mco.0000000000000087 . ISSN   1363-1950 . PMID   25023186 . S2CID   28702007 .
  13. ^ Позебон, Дирс; Scheffler, Guilherme L.; Дресслер, Валдери Л.; Nunes, Matheus AG (2014). «Обзор применения лазерной абляционной масс-спектрометрии индуктивно связанной плазмы (LA-ICP-MS) для анализа биологических образцов». J. Anal. В. Спектр . 29 (12): 2204–2228. doi : 10.1039/c4ja00250d . ISSN   0267-9477 .
  14. ^ Куанг С., Доран С.А., Уилсон Р.Дж., Госс Г.Г., Голдберг Джи (2002). «Серотонинергические сенсорно-моторные нейроны опосредуют поведенческий ответ на гипоксию у эмбрионов улитки пруда». J. Neurobiol. 52 (1): 73–83. doi : 10.1002/neu.10071 . PMID   12115895 .
  15. ^ Jékely, Gáspár; Колумбелли, Жюльен; Хаузен, Харальд; Парень, Керен; Стелцер, Эрнст; NYEDELEC, Франсуа; Арендт, Детлев (20 ноября 2008 г.). «Механизм фототаксиса в морском зоопланктоне» . Природа . 456 (7220): 395-399. Bibcode : 2008natur.456..395J . Doi : 10.1038/nature07590 . PMID   19020621 .
  16. ^ Рандель, Надин; его плиты, Альбина; Bezares-Calderón, Luis; Verasztó, Csaba; Уильямс, Элизабет А; Конзельманн, Маркус; Шахиди, Реза; Jékely, Gáspár (27 мая 2014 г.). «Нейронное разъединение схемы сенсорной мори для визуальной навигации » Элиф 3 Doi : 10.7554/ elife.0  4059887PMC PMID   24867217
  17. ^ Бергер, Ноэль А.; Эг, Питер Х. (2008-01-09). Ветеринарная лазерная хирургия: практическое руководство . Джон Уайли и сыновья . ISBN  9780470344125 .
  18. ^ Маннерлин, Кр; Кунс, SJ; Маршалл, Дж. (1988-01-01). «Фоторефрактивная кератэктомия: метод лазерной рефракционной операции». 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. ^ «Лазерное использование в стоматологии» . Webmd . Получено 2017-02-17 .
  20. ^ Ицкан, я; Альбагли, D; Темный, мл; Перельман, LT; фон Розенберг, C; Фелд, М.С. (1995-03-14). «Термоупругая основа короткой импульсной 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; Venugopalan, Vasan (2003-02-01). «Механизмы импульсной лазерной абляции биологических тканей» (PDF) . Химические обзоры . 103 (2): 577–644. doi : 10.1021/cr010379n . ISSN   0009-2665 . PMID   12580643 .
  22. ^ Валкави, Роберто; Риганти, Фабрицио; Бертани, Анджело; Формизано, Дебора; Палелла, Клаудио М. (2010). «Чрескожная лазерная абляция холодных доброкачественных узелков щитовидной железы: 3-летнее последующее исследование у 122 пациентов». Щитовидная железа . 20 (11): 1253–1261. doi : 10.1089/thy.2010.0189 . ISSN   1050-7256 . PMID   20929405 .
  23. ^ Палелла, Клаудио Маурицио; Францика, Джампиеро; Ди Ласио, Франческа Марта Лилджа; и др. (2009). «Долгосрочные результаты цирротических пациентов с ранней гепатоцеллюлярной карциномой, получавшей чрескожную лазерную абляцию с ультразвуковым контролем: ретроспективный анализ» . Журнал клинической онкологии . 27 (16): 2615–2621. doi : 10.1200/jco.2008.19.0082 . ISSN   0732-183X . PMID   19332729 . S2CID   23374952 .
  24. ^ Pompili m; PACELLA CM; Францика Г; Анжелико М; Тисоне Г; Craboledda P; Николарди E; Rapaccini GL; Gasbarrini g. (Июнь 2010 г.). «Чрескожная лазерная абляция гепатоцеллюлярной карциномы у пациентов с циррозом печени в ожидании трансплантации печени». Европейский журнал радиологии . 74 (3): E6 - E11. doi : 10.1016/j.ejrad.2009.03.012 . PMID   19345541 .
  25. ^ «Венозная болезнь эндовенная термическая абляция» . Клиника Кливленда . Получено 2015-08-10 .
  26. ^ Подпрыгнуть до: а беременный в Фиппс, Клод Р. (2007). Лазерная абляция и ее приложения . Спрингер.

Библиография

[ редактировать ]
  • Оксфордский краткий медицинский словарь, 2002,6 -е издание, ISBN   0-19-860459-9
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 7607b9a763f292c3ff49a83c3b29a468__1720908720
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/76/68/7607b9a763f292c3ff49a83c3b29a468.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Laser ablation - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)