Jump to content

Лазерная абляция

(Перенаправлено с Лазерное испарение )
Получение наночастиц лазером в растворе
Лазерная абляция астероидоподобного образца

Лазерная абляция или фотоабляция (также называемая лазерной очисткой) [1] [2] [3] ) — это процесс удаления материала с твердой (или иногда жидкой) поверхности путем облучения ее лазерным лучом. При низком лазерном потоке материал нагревается за счет поглощенной энергии лазера и испаряется или сублимируется . При высоком лазерном потоке материал обычно преобразуется в плазму . Обычно под лазерной абляцией подразумевается удаление материала с помощью импульсного лазера , но можно провести абляцию 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, ультракороткие лазерные импульсы (например, фемтосекундные) вызывают лишь минимальное повреждение материала во время обработки из-за сверхкороткого взаимодействия света с веществом и поэтому также подходят для микроматериалов. обработка. [4] Эксимерные лазеры глубокого ультрафиолета в основном используются при фотоабляции; длина волны лазера, используемого при фотоабляции, составляет примерно 200 нм.

Глубина, на которой поглощается лазерная энергия, и, следовательно, количество материала, удаляемого одним лазерным импульсом, зависит от оптических свойств материала, а также длины волны лазера и длины импульса. Общую массу, удаляемую из мишени за один лазерный импульс, обычно называют скоростью абляции. Такие особенности лазерного излучения, как скорость сканирования лазерным лучом и перекрытие 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 научных исследований, так и для промышленного применения.

Приложения

[ редактировать ]

Простейшим применением лазерной абляции является контролируемое удаление материала с твердой поверхности. лазерная обработка и особенно лазерное сверление Примерами являются ; Импульсные лазеры могут просверливать очень маленькие и глубокие отверстия в очень твердых материалах. Очень короткие лазерные импульсы удаляют материал настолько быстро, что окружающий материал поглощает очень мало тепла, поэтому лазерное сверление можно выполнять на деликатных или термочувствительных материалах, включая зубную эмаль ( лазерная стоматология ). Некоторые ученые использовали лазерную абляцию и газовую конденсацию для производства наночастиц металла, оксидов металлов и карбидов металлов.

Кроме того, энергия лазера может избирательно поглощаться покрытиями, особенно на металле, поэтому импульсные лазеры CO 2 или Nd:YAG можно использовать для очистки поверхностей, удаления краски или покрытия или подготовки поверхностей к окраске без повреждения основной поверхности. Мощные лазеры очищают большое пятно одним импульсом. Лазеры меньшей мощности используют множество небольших импульсов, которые можно сканировать по площади. В некоторых отраслях лазерную абляцию можно назвать 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 ничего вредного не испаряется). [ нужна ссылка ] Это относительно легко автоматизировать. Эксплуатационные затраты ниже, чем при использовании сухих сред или струйной очистке сухим льдом , хотя капитальные затраты намного выше. Этот процесс более щадящий, чем абразивные методы, например, углеродные волокна в композитном материале не повреждаются. Нагрев мишени минимален.

Другой класс приложений использует лазерную абляцию для обработки удаленного материала в новые формы, которые невозможно или трудно получить другими способами. Недавний пример – производство углеродных нанотрубок .

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

В марте 1995 г. Го и др. [6] были первыми, кто сообщил об использовании лазера для абляции блока чистого графита , а затем графита, смешанного с каталитическим металлом . [7] Каталитический металл может состоять из таких элементов, как кобальт , ниобий , платина , никель , медь или их бинарная комбинация. Композитный блок формируется путем приготовления пасты из графитового порошка, углеродного цемента и металла. Затем пасту помещают в цилиндрическую форму и выпекают в течение нескольких часов. После затвердевания графитовый блок помещается в печь, направляя на него лазер, и газ аргон накачивается в направлении лазерной точки. Температура духовки примерно 1200°С. Когда лазер удаляет мишень, образуются углеродные нанотрубки , которые переносятся потоком газа на холодный медный коллектор. Подобно углеродным нанотрубкам, полученным методом электродугового разряда , волокна углеродных нанотрубок располагаются беспорядочно и запутанно. Одностенные нанотрубки образуются из блока графита и частиц металлического катализатора, тогда как многостенные нанотрубки образуются из исходного материала чистого графита.

Разновидностью этого типа применения является использование лазерной абляции для создания покрытий путем удаления материала покрытия из источника и его осаждения на поверхности, подлежащей покрытию; это особый тип физического осаждения из паровой фазы , называемый импульсным лазерным осаждением (PLD), [8] и может создавать покрытия из материалов, которые невозможно испарить 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 путем анализа длин волн света, излучаемого плазмой.

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

Движение

[ редактировать ]

Наконец, лазерную абляцию можно использовать для передачи импульса поверхности, поскольку аблируемый материал при расширении прикладывает импульс высокого давления к поверхности под ним. Эффект аналогичен удару молотком по поверхности. Этот процесс используется в промышленности для упрочнения металлических поверхностей и является одним из механизмов повреждения лазерного оружия . Это также основа импульсного лазерного движения космических кораблей.

Производство

[ редактировать ]

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

Производство 2D материалов

[ редактировать ]

Лазерная абляция в жидкой фазе — эффективный метод расслаивания сыпучих материалов до их двумерных (2D) форм, таких как черный фосфор. Изменяя растворитель и энергию лазера, можно контролировать толщину и поперечный размер 2D-материалов. [10]

Химический анализ

[ редактировать ]

Лазерная абляция используется в качестве метода отбора проб для элементного и изотопного анализа и заменяет традиционные трудоемкие процедуры, обычно необходимые для расщепления твердых образцов в растворах кислот. Отбор проб с помощью лазерной абляции обнаруживается путем мониторинга фотонов, испускаемых на поверхности образца - технология, известная как LIBS ( спектроскопия лазерного индуцированного пробоя ) и LAMIS (молекулярная изотопная спектрометрия с лазерной абляцией), или путем транспортировки частиц аблированной массы к вторичному источнику возбуждения. как индуктивно-связанная плазма . И масс-спектроскопия (МС), и оптическая эмиссионная спектроскопия (ОЭС) могут быть связаны с ИСП. Преимущества отбора проб с помощью лазерной абляции для химического анализа включают отсутствие подготовки проб, отсутствие отходов, минимальные требования к пробам, отсутствие требований к вакууму, быстрое время анализа проб, пространственное разрешение (по глубине и по горизонтали) и химическое картирование. Химический анализ с помощью лазерной абляции применим практически во всех отраслях промышленности, таких как горнодобывающая промышленность, геохимия, энергетика, защита окружающей среды, промышленная обработка, безопасность пищевых продуктов, судебная экспертиза. [11] и биологический. [12] [13] На всех рынках доступны коммерческие инструменты для измерения каждого элемента и изотопа в образце. Некоторые инструменты сочетают в себе как оптическое, так и массовое обнаружение, чтобы расширить охват анализа и динамический диапазон чувствительности.

Биология

[ редактировать ]

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

Другим примером является трохофорная личинка Platynereis dumerilii , у которой личиночный глаз был удален, и личинки больше не были фототаксическими. [15] Однако фототаксис у нектохеты личинки Platynereis dumerilii не опосредован личиночными глазами, поскольку личинка все еще фототаксична, даже если личиночные глаза удалены. Но если глаза взрослого человека удалены, то нектохета больше не является фототаксисом, и, таким образом, фототаксис личинки нектохеты опосредуется взрослыми глазами. [16]

Лазерную абляцию также можно использовать для разрушения отдельных клеток во время эмбриогенеза организма, например Platynereis dumerilii , для изучения влияния недостающих клеток во время развития.

Лекарство

[ редактировать ]

несколько типов лазеров В медицине для абляции используются , в том числе аргоновый , углекислый (CO 2 ), 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 при операциях на твердых , так и на мягких тканях . Некоторые из наиболее распространенных процедур, в которых используется лазерная абляция, включают LASIK , [18] шлифовка кожи , подготовка полости, биопсия , удаление опухолей и повреждений. [19] При операциях на твердых тканях короткоимпульсные лазеры, такие как Er:YAG или Nd:YAG, удаляют ткань в условиях стресса или инерционного удержания. [20] При операциях на мягких тканях луч CO 2 -лазера одновременно аблирует и прижигает, что делает его наиболее практичным и наиболее распространенным лазером для мягких тканей. [21]

Лазерную абляцию можно использовать при доброкачественных и злокачественных поражениях различных органов, что называется лазерно-индуцированной интерстициальной термотерапией. Основные применения в настоящее время связаны с уменьшением доброкачественных узлов щитовидной железы. [22] и деструкция 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

[ редактировать ]

Материальная динамика

[ редактировать ]

Хорошо зарекомендовавшая себя основа лазерной абляции назвали двухтемпературную модель . Каганов и Анисимов [26] В нем энергия лазерного импульса поглощается твердым материалом, непосредственно стимулируя движение электронов и передавая тепло решетке, лежащей в основе кристаллической структуры твердого тела. Таким образом, две переменные: сама температура электронов и температура решетки . Их дифференциальные уравнения в зависимости от глубины , даны

Здесь, и - удельная теплоемкость электронов и решетки соответственно, – электронная теплопроводность, - тепловая связь между электронной и (решеточной) фононной системами, и — энергия лазерного импульса, поглощаемая объёмом, 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.

Одним из наиболее важных экспериментальных параметров для характеристики мишени является порог абляции, который представляет собой минимальную плотность энергии, при которой определенный атом или молекула наблюдается в абляционном факеле. Этот порог зависит от длины волны лазера и может быть смоделирован, предполагая потенциал Леннарда-Джонса между атомами в решетке и только в течение определенного времени эволюции температуры, называемого гидродинамической стадией. Однако обычно это значение определяется экспериментально.

Двухтемпературная модель может быть расширена в каждом конкретном случае. Одним из примечательных расширений является генерация плазмы. Было высказано предположение, что для ультракоротких импульсов (которые предполагают большую флюенс) кулоновский взрыв также играет роль. [26] поскольку энергия лазера достаточно высока для генерации ионов в абляционном факеле. Величина электрического поля определена для порога кулоновского взрыва и определяется выражением

где - энергия сублимации на атом, плотность атомной решетки и - диэлектрическая проницаемость.

Динамика шлейфа

[ редактировать ]

Некоторые применения импульсной лазерной абляции сосредоточены на механической обработке и отделке аблируемого материала, но другие применения заинтересованы в материале, выбрасываемом из мишени. В этом случае более важными для моделирования являются характеристики абляционного факела.

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

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ «Что такое лазерная очистка» . БластУан Интернэшнл. 2019.
  2. ^ «Лазерная очистка заменяет абразивоструйную очистку» . Лазерная фотоника. 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.; Мама, С; Нольте, С; Фон Альвенслебен, Ф; Тюннерманн, А. (август 1996 г.). «Фемтосекундная, пикосекундная и наносекундная лазерная абляция твердых тел». Прикладная физика А. 63 (2): 109–115. Бибкод : 1996ApPhA..63..109C . дои : 10.1007/BF01567637 . S2CID   95436515 .
  5. ^ Вейко В.П.; Скворцов А.М.; Хюинь Конг Ту; Петров А.А. (2015). «Лазерная абляция монокристаллического кремния импульсным волоконным лазером» . Научно-технический журнал информационных технологий, механики и оптики . 15 (3): 426. дои : 10.17586/2226-1494-2015-15-3-426-434 .
  6. ^ Го Т, Николаев П, Ринзлер Д, Томанек ДТ, Кольбер ДТ, Смолли Р.Э. (1995). «Самосборка трубчатых фуллеренов». Дж. Физ. хим. 99 (27): 10694–7. дои : 10.1021/j100027a002 .
  7. ^ Го Т., Николаев П., Тесс А., Кольбер Д.Т., Смолли Р.Э. (1995). «Каталитический рост одностенных нанотрубок методом лазерного испарения». хим. Физ. Летт. 243 (1–2): 49–54. Бибкод : 1995CPL...243...49G . дои : 10.1016/0009-2614(95)00825-О .
  8. ^ Роберт Исон - Импульсное лазерное осаждение тонких пленок: рост функциональных материалов с помощью приложений . Вили-Интерсайенс , 2006, ISBN   0471447099
  9. ^ Грант-Джейкоб, Джеймс А.; Бичер, Стивен Дж.; Пасторский дом, Тина Л.; Хуа, Пин; Маккензи, Джейкоб И.; Шеперд, Дэвид П.; Исон, Роберт В. (01 января 2016 г.). «Планарный волноводный лазер Yb:YAG мощностью 11,5 Вт, изготовленный методом импульсного лазерного осаждения» (PDF) . Оптические материалы Экспресс . 6 (1): 91. Бибкод : 2016OMExp...6...91G . дои : 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 Сок (30 июня 2020 г.). «Сверхбыстрое лазерное отшелушивание черного фосфора в жидкости регулируемой толщины для литий-ионных аккумуляторов». Передовые энергетические материалы . 10 (31): 1903490. Бибкод : 2020AdEnM..1003490Z . дои : 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. дои : 10.1016/j.trac.2012.09.015 . ISSN   0165-9936 .
  12. ^ Ургаст, Дагмар С.; Битти, Джон Х.; Фельдманн, Йорг (2014). «Визуализация микроэлементов в тканях». Текущее мнение о клиническом питании и метаболической помощи . 17 (5): 431–439. дои : 10.1097/MCO.0000000000000087 . ISSN   1363-1950 . ПМИД   25023186 . S2CID   28702007 .
  13. ^ Позебон, Дирце; Шеффлер, Гильерме Л.; Дресслер, Вальдери Л.; Нуньес, Матеус АГ (2014). «Обзор применения масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой лазерной абляции (LA-ICP-MS) для анализа биологических образцов». Дж. Анал. В. Спектр . 29 (12): 2204–2228. дои : 10.1039/C4JA00250D . ISSN   0267-9477 .
  14. ^ Куанг С., Доран С.А., Уилсон Р.Дж., Госс Г.Г., Голдберг Дж.И. (2002). «Серотонинергические сенсомоторные нейроны опосредуют поведенческую реакцию на гипоксию у эмбрионов прудовиков». Дж. Нейробиол. 52 (1): 73–83. дои : 10.1002/neu.10071 . ПМИД   12115895 .
  15. ^ Жекели, Гаспар; Коломбелли, Жюльен; Хаузен, Харальд; Гай, Карен; 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; Ашадулина, Альбина; Безарес-Кальдерон, Луи 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.; Эег, Питер Х. (9 января 2008 г.). Ветеринарная лазерная хирургия: Практическое руководство . Джон Уайли и сыновья . ISBN  9780470344125 .
  18. ^ Маннерлин, ЧР; Кунс, С.Дж.; Маршалл, Дж. (1 января 1988 г.). «Фоторефрактивная кератэктомия: техника лазерной рефракционной хирургии». Журнал катаракты и рефракционной хирургии . 14 (1): 46–52. дои : 10.1016/s0886-3350(88)80063-4 . ISSN   0886-3350 . ПМИД   3339547 . S2CID   22191491 .
  19. ^ «Применение лазера в стоматологии» . ВебМД . Проверено 17 февраля 2017 г.
  20. ^ Ицкан, я; Альбагли, Д; Дарк, МЛ; Перельман, LT; фон Розенберг, К; Фельд, М.С. (14 марта 1995 г.). «Термоэластические основы короткоимпульсной лазерной абляции биологических тканей» . Труды Национальной академии наук . 92 (6): 1960–1964. Бибкод : 1995ПНАС...92.1960И . дои : 10.1073/пнас.92.6.1960 . ISSN   0027-8424 . ПМК   42402 . ПМИД   7892208 .
  21. ^ Фогель, Альфред; Венугопалан, Васан (1 февраля 2003 г.). «Механизмы импульсной лазерной абляции биологических тканей» (PDF) . Химические обзоры . 103 (2): 577–644. дои : 10.1021/cr010379n . ISSN   0009-2665 . ПМИД   12580643 .
  22. ^ Валкави, Роберто; Риганти, Фабрицио; Бертани, Анджело; Формизано, Дебора; Пачелла, Клаудио М. (2010). «Чрескожная лазерная абляция холодных доброкачественных узлов щитовидной железы: трехлетнее исследование с участием 122 пациентов». Щитовидная железа . 20 (11): 1253–1261. дои : 10.1089/thy.2010.0189 . ISSN   1050-7256 . ПМИД   20929405 .
  23. ^ Пачелла, Клаудио Маурицио; Франсика, Джампьеро; Ди Ласио, Франческа Марта Лилья; и др. (2009). «Отдаленные результаты лечения пациентов с циррозом печени и ранней гепатоцеллюлярной карциномой с помощью чрескожной лазерной абляции под ультразвуковым контролем: ретроспективный анализ» . Журнал клинической онкологии . 27 (16): 2615–2621. дои : 10.1200/JCO.2008.19.0082 . ISSN   0732-183X . ПМИД   19332729 . S2CID   23374952 .
  24. ^ Помпили М; Пачелла CM; Франсика Дж; Анжелико М; Тизон Г; Краболедда П; Николарди Э; Рапаччини Г.Л.; Гасбаррини Дж. (июнь 2010 г.). «Чрескожная лазерная абляция гепатоцеллюлярной карциномы у пациентов с циррозом печени, ожидающих трансплантации печени». Европейский журнал радиологии . 74 (3): e6–e11. дои : 10.1016/j.ejrad.2009.03.012 . ПМИД   19345541 .
  25. ^ «Эндовенозная термоабляция венозных заболеваний» . Кливлендская клиника . Проверено 10 августа 2015 г.
  26. ^ Перейти обратно: а б с Фиппс, Клод Р. (2007). Лазерная абляция и ее применение . Спрингер.

Библиография

[ редактировать ]
  • Оксфордский краткий медицинский словарь, 2002 г., 6-е издание, ISBN   0-19-860459-9
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: e3a57dd6fd9a785a5e81f5494b021799__1720908720
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/e3/99/e3a57dd6fd9a785a5e81f5494b021799.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.)