Laserablasjon - Laser ablation

For medisinsk teknikk, se Laserindusert termoterapi .
Klargjøring av nanopartikler ved laser i løsning
Laserablasjon av en asteroideaktig prøve

Laserablasjon eller photoablation er prosessen med å fjerne materiale fra en fast (eller av og til væske) overflate ved å bestråle den med en laserstråle. Ved lav laserstrøm oppvarmes materialet av den absorberte laserenergien og fordamper eller sublimerer . Ved høy laserstrøm omdannes materialet vanligvis til et plasma . Vanligvis refererer laserablasjon til å fjerne materiale med en pulserende laser , men det er mulig å ablate materiale med en kontinuerlig bølgelaserstråle hvis laserintensiteten er høy nok. Excimer-lasere med dypt ultrafiolett lys brukes hovedsakelig i fotoablering; bølgelengden til laser som brukes i fotoablasjon er omtrent 200 nm.

Grunnleggende

Dybden laserens energi absorberes over, og dermed mengden materiale fjernet av en enkelt laserpuls, avhenger av materialets optiske egenskaper og laserbølgelengden og pulslengden. Den totale massen som er fjernet fra målet per laserpuls, blir vanligvis referert til som ablasjonshastighet. Slike trekk ved laserstråling som laserstråleskanningshastighet og tildekking av skannelinjer kan påvirke ablasjonsprosessen betydelig.

Laserpulser kan variere over et veldig bredt varighetsområde ( millisekunder til femtosekunder ) og strømninger, og kan kontrolleres nøyaktig. Dette gjør laserablasjon veldig verdifull for både forskning og industrielle applikasjoner.

applikasjoner

Den enkleste anvendelsen av laserablasjon er å fjerne materiale fra en solid overflate på en kontrollert måte. Laserbearbeiding og spesielt laserboring er eksempler; pulserende lasere kan bore ekstremt små, dype hull gjennom veldig harde materialer. Svært korte laserpulser fjerner materiale så raskt at det omkringliggende materialet absorberer veldig lite varme, slik at laserboring kan gjøres på sarte eller varmefølsomme materialer, inkludert tannemalje ( laser tannbehandling ). Flere arbeidere har brukt laserablasjon og gasskondensering for å produsere nanopartikler av metall, metalloksider og metallkarbider.

Laserenergi kan også absorberes selektivt av belegg, spesielt på metall, slik at CO 2 eller Nd: YAG pulserende lasere kan brukes til å rengjøre overflater, fjerne maling eller belegg, eller forberede overflater for maling uten å skade den underliggende overflaten. High-power lasere rengjør et stort sted med en enkelt puls. Lasere med lavere effekt bruker mange små pulser som kan skannes over et område. I industriell applikasjon er laserablasjon kjent som laserrengjøring.

Industrielt 500W laserrengjøringsutstyr.

En av fordelene er at det ikke brukes løsemidler, derfor er det miljøvennlig og operatører blir ikke utsatt for kjemikalier (forutsatt at ingenting skadelig er fordampet). Det er relativt enkelt å automatisere. Driftskostnadene er lavere enn tørre medier eller sprengning av tørris , selv om investeringskostnadene for kapital er mye høyere. Prosessen er mildere enn slipende teknikker, for eksempel blir ikke karbonfibre i et sammensatt materiale skadet. Oppvarming av målet er minimal.

En annen klasse applikasjoner bruker laserablasjon for å behandle materialet som er fjernet til nye former, enten ikke mulig eller vanskelig å produsere på annen måte. Et nylig eksempel er produksjon av karbon nanorør .

Laserrengjøring brukes også til effektiv rustfjerning fra jernobjekter; fjerning av olje eller fett fra forskjellige overflater; restaurering av malerier, skulpturer, fresker. Laserablasjon er en av foretrukne teknikker for rengjøring av gummiform på grunn av minimal overflateskade på formen.

I mars 1995 Guo et al. var de første til å rapportere bruken av en laser for å fjerne en blokk med ren grafitt , og senere grafitt blandet med katalytisk metall . Det katalytiske metallet kan bestå av elementer slik som kobolt , niob , platina , nikkel , kobber eller en binær kombinasjon derav. Den sammensatte blokken er dannet ved å lage en pasta av grafittpulver, karbonsement og metallet. Limen blir deretter plassert i en sylindrisk form og bakt i flere timer. Etter størkning plasseres grafittblokken inne i en ovn med en laser rettet mot den, og argongass pumpes i retning av laserpunktet. Ovnens temperatur er omtrent 1200 ° C. Når laseren fjerner målet, dannes karbonnanorør og bæres av gassstrømmen til en kjølig kobbersamler. Som karbon nanorør er dannet ved hjelp av elektrisk lysbue-utladningsteknikk, blir karbon nanorør fibre avsatt på en tilfeldig måte og sammenfiltrede. Enveggede nanorør dannes fra blokken av grafitt- og metallkatalysatorpartikler, mens flerveggede nanorør dannes fra det rene grafittutgangsmaterialet.

En variant av denne typen applikasjoner er å bruke laserablasjon for å lage belegg ved å fjerne beleggmaterialet fra en kilde og la det avleire på overflaten som skal belegges; dette er en spesiell type fysisk dampavsetning kalt pulsed laser deposition (PLD), og kan skape belegg av materialer som ikke lett kan fordampes på annen måte. Denne prosessen brukes til å produsere noen typer høytemperatur superleder- og laserkrystaller.

Ekstern laserspektroskopi bruker laserablasjon for å lage et plasma fra overflatematerialet; sammensetningen av overflaten kan bestemmes ved å analysere bølgelengdene til lyset som sendes ut av plasmaet.

Laserablasjon brukes også til å lage mønster, og fjerner selektivt belegg fra dikroisk filter. Disse produktene brukes i scenebelysning for høydimensjonale projeksjoner, eller for kalibrering av maskinvisjonens instrumenter.

Framdrift

Til slutt kan laserablasjon brukes til å overføre momentum til en overflate, siden det ablaterte materialet påfører en puls med høyt trykk på overflaten under den når den utvides. Effekten ligner på å slå overflaten med en hammer. Denne prosessen brukes i industrien til å herde metalloverflater, og er en skademekanisme for et laservåpen . Det er også grunnlaget for pulserende laserfremdrift for romfartøy.

Produksjon

Det utvikles for tiden prosesser for å bruke laserablasjon ved fjerning av termisk barrierebelegg på høytrykks gasturbinkomponenter. På grunn av den lave varmetilførselen kan TBC-fjerning fullføres med minimal skade på de underliggende metallbeleggene og overordnet materiale.

Produksjon av 2D-materialer

Laserablasjon i væskefasen er en effektiv metode for å eksfoliere bulkmaterialer i deres 2-dimensjonale (2D) former, for eksempel svart fosfor. Ved å endre løsningsmiddel- og laserenergien kan tykkelsen og sidestørrelsen på 2D-materialene styres.

Kjemisk analyse

Laserablasjon brukes som en prøvetakingsmetode for elementær- og isotopanalyse, og erstatter tradisjonelle arbeidskrevende prosedyrer som vanligvis kreves for å fordøye faste prøver i syreløsninger. Prøvetaking med laserablasjon oppdages ved å overvåke fotonene som sendes ut på prøveoverflaten - en teknologi referert til som LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) og LAMIS (Laser Ablation Molecular Isotopic Spectrometry), eller ved å transportere de ablaterte massepartiklene til en sekundær eksitasjonskilde som det induktivt koblede plasmaet . Både massespektroskopi (MS) og optisk utslippsspektroskopi (OES) kan kobles til ICP. Fordelene med prøvetaking av laserablasjon for kjemisk analyse inkluderer ingen forberedelse av prøven, ingen avfall, minimale krav til vakuum, ingen vakuumkrav, rask prøveanalyseturtid, romlig (dybde og lateral) oppløsning og kjemisk kartlegging. Kjemisk analyse av laserablasjon er levedyktig for praktisk talt alle bransjer, for eksempel gruvedrift, geokjemi, energi, miljø, industriell prosessering, matsikkerhet, rettsmedisinsk og biologisk. Kommersielle instrumenter er tilgjengelig for alle markeder for å måle hvert element og isotop i et utvalg. Noen instrumenter kombinerer både optisk og massedeteksjon for å utvide analysedekningen og dynamisk rekkevidde i følsomhet.

Biologi

Laserablasjon brukes i vitenskapen til å ødelegge nerver og annet vev for å studere deres funksjon. For eksempel, noen arter av dammen sneglen , Helisoma trivolvis , kan ha sine sensoriske nevroner laser ablated av når sneglen er fortsatt et embryo å hindre bruk av disse nervene.

Et annet eksempel er trochophore- larven til Platynereis dumerilii , hvor larveøyet ble fjernet og larvene ikke var fototaktiske, lenger. Fototaksis i nektochaetlarven til Platynereis dumerilii formidles imidlertid ikke av larveøyene , fordi larven fortsatt er fototaktisk, selv om larveøyene er fjernet. Men hvis de voksne øynene er avblåst, er ikke nektochaeten fototaktisk lenger, og dermed medieres fototaxis i nektochaetlarven av de voksne øynene.

Laserablasjon kan også brukes til å ødelegge individuelle celler under embryogenese av en organisme, som Platynereis dumerilii , for å studere effekten av manglende celler under utvikling.

Medisin

Det er flere lasertyper som brukes i medisin for ablasjon, inkludert argon , karbondioksid (CO 2 ), fargestoff , erbium , excimer , Nd: YAG og andre. Laserablasjon brukes i en rekke medisinske spesialiteter, inkludert oftalmologi , generell kirurgi , nevrokirurgi , ØNH , tannbehandling , oral og maxillofacial kirurgi , og veterinær . Laserskalpeller brukes til ablasjon i både harde og bløtvevskirurgier . Noen av de vanligste prosedyrene der laserablasjon brukes, inkluderer LASIK , hudoverflatebehandling , forberedelse av hulrom, biopsier og fjerning av svulster og lesjoner. I bløtvevskirurgi avblåser og cauteriserer CO 2- laserstrålen samtidig, noe som gjør den til den mest praktiske og vanligste bløtvevslaser.

Laserablasjon kan brukes på godartede og ondartede lesjoner i forskjellige organer, som kalles laserindusert interstitiell termoterapi. De viktigste applikasjonene involverer for tiden reduksjon av godartede skjoldbruskkjertelknuter og ødeleggelse av primære og sekundære ondartede leverskader.

Laserablasjon brukes også til å behandle kronisk venøs insuffisiens .

Se også


Referanser

Bibliografi