Лазерная абляция - Laser ablation

О медицинской технике см. Лазерная термотерапия.
Приготовление наночастиц лазером в растворе
Лазерная абляция астероидоподобного образца

Лазерная абляция или же фотоабляция это процесс удаления материала с твердой (или иногда жидкой) поверхности путем облучения ее лазер луч. При низком лазерном потоке материал нагревается за счет поглощенной лазерной энергии и испаряется или же сублимирует. При высоком лазерном потоке материал обычно превращается в плазма. Обычно лазер абляция относится к удалению материала с импульсный лазер, но можно удалить материал с помощью непрерывный лазер луч, если интенсивность лазера достаточно высока. Эксимерные лазеры глубокого ультрафиолетового света в основном используются при фотоабляции; длина волны лазера, используемого при фотоабляции, составляет примерно 200 нм.

Основы

Глубина, на которой поглощается лазерная энергия, и, следовательно, количество материала, удаляемого за один лазерный импульс, зависит от оптических свойств материала и лазера. длина волны и длительность импульса. Общая масса, удаляемая из мишени за лазерный импульс, обычно называется скоростью абляции. Такие особенности лазерного излучения, как скорость сканирования лазерного луча и перекрытие линий сканирования, могут существенно влиять на процесс абляции.[1]

Лазерные импульсы могут изменяться в очень широком диапазоне длительности (миллисекунды к фемтосекунды ) и потоками, и их можно точно контролировать. Это делает лазерную абляцию очень ценной как для исследовательских, так и для промышленных целей.

Приложения

Самым простым применением лазерной абляции является контролируемое удаление материала с твердой поверхности. Лазерная обработка и особенно лазерное сверление примеры; Импульсные лазеры могут просверливать очень маленькие и 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, в том числе эмаль зубов (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 CO2 или же Nd: YAG Импульсные лазеры можно использовать для очистки поверхностей, удаления краски или покрытия или подготовки поверхностей к покраске без повреждения подлежащей поверхности. Лазеры высокой мощности очищают большое пятно за один импульс. В лазерах меньшей мощности используется много небольших импульсов, которые можно сканировать по площади. В промышленном применении лазерная абляция известна как лазерная очистка.

Промышленное оборудование для лазерной очистки мощностью 200 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 цитата ] Это относительно легко автоматизировать. Эксплуатационные расходы ниже, чем у сухой среды или струйная очистка сухим льдом, хотя капитальные вложения намного выше. Этот процесс более щадящий, чем абразивные методы, например углеродные волокна в композитном материале не повреждаются. Нагрев мишени минимальный.

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

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

В марте 1995 г. Guo et al.[2] были первыми, кто сообщил об использовании лазер к удалять блок чистого графит, а затем графит с примесью каталитический металл.[3] Каталитический металл может состоять из таких элементов, как кобальт, ниобий, платина, никель, медь или их двоичную комбинацию. Композитный блок формируется путем приготовления пасты из графитового порошка, углеродного цемента и металла. Затем паста помещается в цилиндрическую форму и запекается в течение нескольких часов. После затвердевания графитовый блок помещается в печь с направленным на него лазером и аргон газ подается в направлении лазерной точки. Температура духовки составляет примерно 1200 ° C. Когда лазер уничтожает цель, углеродные нанотрубки образуются и переносятся потоком газа на холодный медный коллектор. Подобно углеродным нанотрубкам, сформированным с использованием электродуговый разряд В этом случае волокна углеродных нанотрубок осаждаются беспорядочно и запутанно. Одностенные нанотрубки формируются из блока частиц графита и металлического катализатора, тогда как многостенные нанотрубки формируются из чистого исходного материала графита.

Разновидностью этого типа нанесения является использование лазерной абляции для создания покрытий путем удаления материала покрытия из источника и его осаждения на поверхности, на которую наносится покрытие; это особый вид физическое осаждение из паровой фазы называется импульсное лазерное напыление (PLD),[4] и может создавать покрытия из материалов, которые не могут быть легко испарены другим способом. Этот процесс используется для производства некоторых видов высокотемпературный сверхпроводник и лазерные кристаллы.[5]

Удаленный лазер спектроскопия использует лазерную абляцию для создания плазмы из поверхностного материала; Состав поверхности может быть определен путем анализа длин волн света, излучаемого плазмой.

Лазерная абляция также используется для создания рисунка, выборочно удаляя покрытие с дихроичный фильтр. Эти продукты используются в сценическом освещении для крупногабаритных проекций или для калибровки приборов машинного зрения.

Движение

Наконец, лазерная абляция может использоваться для передачи импульса поверхности, поскольку аблированный материал прикладывает импульс высокого давления к поверхности под собой, когда она расширяется. Эффект похож на удар молотком по поверхности. Этот процесс используется в промышленности для упрочнения металлических поверхностей и является одним из механизмов повреждения лазерное оружие. Это также основа импульсного лазерная тяга для космического корабля.

Производство

В настоящее время разрабатываются способы использования лазерной абляции для удаления теплового барьерного покрытия на компонентах газовых турбин высокого давления. Благодаря низкому тепловложению удаление ТВП может быть выполнено с минимальным повреждением нижележащих металлических покрытий и основного материала.

Химический анализ

Лазерная абляция используется как метод отбора проб для элементного и изотопного анализа и заменяет традиционные трудоемкие процедуры, обычно требуемые для разложения твердых образцов в кислых растворах. Отбор образцов лазерной абляции обнаруживается путем мониторинга фотонов, испускаемых на поверхности образца - технология, известная как LIBS (лазерная спектроскопия пробоя) и LAMIS (молекулярная изотопная спектрометрия лазерной абляции), или путем транспортировки частиц аблированной массы к вторичному источнику возбуждения. словно 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 цикла анализа проб, пространственное (глубинное и поперечное) разрешение и химическое картирование. Химический анализ лазерной абляции применим практически во всех отраслях промышленности, таких как горнодобывающая промышленность, геохимия, энергетика, охрана окружающей среды, промышленная переработка, безопасность пищевых продуктов, судебная экспертиза.[6] и биологический.[7][8] На всех рынках доступны коммерческие инструменты для измерения каждого элемента и изотопа в образце. Некоторые инструменты сочетают в себе оптическое и массовое обнаружение, чтобы расширить охват анализа и динамический диапазон чувствительности.

Биология

Лазерная абляция используется в науке для разрушения нервов и других тканей с целью изучения их функции. Например, вид прудовая улитка, Хелисома триволвис, могут иметь свои сенсорные нейроны лазерная абляция отключена, когда улитка все еще находится в эмбрионе, чтобы предотвратить использование этих нервов.[9]

Другой пример - трохофор личинка Platynereis dumerilii, где глаз личинки был удален и личинки больше не были фототаксиальными.[10] Однако фототаксис в нектохет личинка Platynereis dumerilii не опосредуется глазами личинки, потому что личинка все еще фототактична, даже если глаза личинки удалены. Но если удалить взрослые глаза, то нектохеты больше не являются фототактическими, и, таким образом, фототаксис у личинок нектохет опосредуется глазами взрослых.[11]

Лазерная абляция также может использоваться для разрушения отдельных клеток во время эмбриогенез организма, как Platynereis dumerilii, чтобы изучить влияние недостающих клеток во время развития.

Лекарство

Есть несколько типы лазеров используется в медицине для абляции, в том числе аргон, углекислый газ (CO2), краситель, эрбий, эксимер, Nd: YAG, и другие. Лазерная абляция используется в различных медицинских областях, включая офтальмология, Общая хирургия, нейрохирургия, ЛОР, стоматология, челюстно-лицевая хирургия, и ветеринарный.[12] Лазерные скальпели используются для абляции в обоих жесткий - и операции на мягких тканях. Некоторые из наиболее распространенных процедур, при которых используется лазерная абляция, включают: ЛАСИК,[13] шлифовка кожи, препарирование полости, биопсия, и удаление опухоли и поражения.[14] При операциях на мягких тканях CO2 лазерный луч удаляет и прижигает одновременно, что делает его наиболее практичным и наиболее распространенным лазером для мягких тканей.[15]

Лазерная абляция может применяться при доброкачественных и злокачественных новообразованиях в различных органах, что называется лазерно-индуцированной интерстициальной термотерапией. Основные области применения в настоящее время включают уменьшение доброкачественных узлов щитовидной железы.[16] и уничтожение первичных и вторичных злокачественных поражений печени.[17][18]

Лазерная абляция также используется для лечения хроническая венозная недостаточность.[19]

Смотрите также


Рекомендации

  1. ^ Вейко В.П .; Скворцов А.М .; Huynh Cong Tu; 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.
  2. ^ Гуо Т., Николаев П., Ринзлер Д., Томанек Д. Т., Колберт Д. Т., Смолли Р. Э. (1995). «Самосборка трубчатых фуллеренов». J. Phys. Chem. 99 (27): 10694–7. Дои:10.1021 / j100027a002.
  3. ^ Го Т., Николаев П., Тесс А., Колберт Д. Т., Смолли Р. Э. (1995). «Каталитический рост однослойных нанотрубок методом лазерного испарения». Chem. Phys. Lett. 243: 49–54. Bibcode:1995CPL ... 243 ... 49B. Дои:10.1016 / 0009-2614 (95) 00825-О.
  4. ^ Роберт Исон - Импульсное лазерное напыление тонких пленок: рост функциональных материалов с учетом требований приложений. Wiley-Interscience, 2006, ISBN  0471447099
  5. ^ Грант-Джейкоб, Джеймс А .; Бичер, Стивен Дж .; Parsonage, Tina L .; Хуа, Пинг; Маккензи, Джейкоб I .; Шеперд, Дэвид П .; Исон, Роберт У. (01.01.2016). «Планарный волноводный лазер на Yb: YAG мощностью 11,5 Вт, изготовленный методом импульсного лазерного напыления» (PDF). Оптические материалы Экспресс. 6 (1): 91. Bibcode:2016OMExp ... 6 ... 91G. Дои:10.1364 / ом.6.000091. ISSN  2159-3930.
  6. ^ Орельяна, Франсиско Аламилла; Гальвес, Сезар Гонсалес; Орельяна, Франсиско Аламилла; 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 судебных доказательств». Тенденции TrAC в аналитической химии. 42: 1–34. Дои:10.1016 / j.trac.2012.09.015. ISSN  0165-9936.
  7. ^ Urgast, Dagmar S .; Битти, Джон Х .; Фельдманн, Йорг (2014). «Визуализация микроэлементов в тканях». Текущее мнение о клиническом питании и метаболическом лечении. 17 (5): 431–439. Дои:10.1097 / MCO.0000000000000087. ISSN  1363-1950. PMID  25023186.
  8. ^ Позебон, Дирче; Scheffler, Guilherme L .; Дресслер, Вальдери Л .; Нуньес, Матеус А. Г. (2014). «Обзор применений масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой с лазерной абляцией (LA-ICP-MS) для анализа биологических образцов». J. Anal. В. Спектром. 29 (12): 2204–2228. Дои:10.1039 / C4JA00250D. ISSN  0267-9477.
  9. ^ Куанг С., Доран С.А., Уилсон Р.Дж., Госс Г.Г., Голдберг Д.И. (2002). «Серотонинергические сенсомоторные нейроны опосредуют поведенческий ответ на гипоксию у эмбрионов прудовой улитки». J. Neurobiol. 52 (1): 73–83. Дои:10.1002 / neu.10071. PMID  12115895.
  10. ^ Jékely, Gáspár; Коломбелли, Жюльен; Хаузен, Харальд; Гай, Керен; Штельцер, Эрнст; Неделек, Франсуа; Арендт, Детлев (20 ноября 2008 г.). «Механизм фототаксиса в морском зоопланктоне». Природа. 456 (7220): 395–399. Bibcode:2008Натура.456..395J. Дои:10.1038 / природа07590. PMID  19020621.
  11. ^ Рандел, Надин; Асадулина, Альбина; Безарес-Кальдерон, Луис А.; Верасто, Чаба; Уильямс, Элизабет А; Конзельманн, Маркус; Шахиди, Реза; Жекели, Гаспар (27 мая 2014 г.). «Нейрональный коннектом сенсорно-моторной цепи для визуальной навигации». eLife. 3. Дои:10.7554 / eLife.02730. ЧВК  4059887. PMID  24867217.
  12. ^ Бергер, Ноэль А .; Эг, Питер Х. (2008-01-09). Ветеринарная лазерная хирургия: практическое руководство. Джон Уайли и сыновья. ISBN  9780470344125.
  13. ^ Munnerlyn, C.R .; Кунс, С. Дж .; Маршалл, Дж. (1988-01-01). «Фоторефрактивная кератэктомия: методика лазерной рефракционной хирургии». Журнал катарактальной и рефракционной хирургии. 14 (1): 46–52. Дои:10.1016 / s0886-3350 (88) 80063-4. ISSN  0886-3350. PMID  3339547.
  14. ^ «Использование лазера в стоматологии». WebMD. Получено 2017-02-17.
  15. ^ Фогель, Альфред; Венугопалан, Васан (01.02.2003). «Механизмы импульсной лазерной абляции биологических тканей» (PDF). Химические обзоры. 103 (2): 577–644. Дои:10.1021 / cr010379n. ISSN  0009-2665. PMID  12580643.
  16. ^ Валкави, Роберто; Риганти, Фабрицио; Бертани, Анджело; Формизано, Дебора; Пачелла, Клаудио М. (2010). «Чрескожная лазерная абляция холодных доброкачественных узлов щитовидной железы: последующее 3-летнее исследование у 122 пациентов». Щитовидная железа. 20 (11): 1253–1261. Дои:10.1089 / ты.2010.0189. ISSN  1050-7256. PMID  20929405.
  17. ^ Пачелла, Клаудио Маурицио; Франсика, Джампьеро; Ди Лашио, Франческа Марта Лилья; и другие. (2009). «Долгосрочные результаты лечения пациентов с циррозом 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. PMID  19332729.
  18. ^ Помпили М; Pacella CM; Francica G; Angelico M; Тизон G; Craboledda P; Николарди Э; Rapaccini GL; Gasbarrini G. (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. PMID  19345541.
  19. ^ «Эндовенозная термическая абляция при венозных заболеваниях». Кливлендская клиника. Получено 2015-08-10.

Библиография

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