Laserhävitys - Laser ablation

Lääketieteellistä tekniikkaa varten katso laserin aiheuttama lämpöhoito .
Nanohiukkasten valmistus laserilla liuoksessa
Asteroidin kaltaisen näytteen laserpoisto

Laserablaation tai fotoablaation on prosessi materiaalin poistamiseksi kiinteänä aineena (tai satunnaisesti neste) pinta sen säteilyttäminen laser- säteen. Pienellä laservirralla materiaali lämmitetään absorboituneella laserenergialla ja haihtuu tai sublimoituu . Suurella laservirralla materiaali muunnetaan tyypillisesti plasmaksi . Yleensä laserablioinnilla tarkoitetaan materiaalin poistamista pulssilaserilla , mutta materiaali on mahdollista poistaa jatkuvan aallon lasersäteellä, jos laserin voimakkuus on riittävän korkea. Eksimeerilaserit syvän ultraviolettivalon käytetään pääasiassa fotoablaation; fotoabloinnissa käytetyn laserin aallonpituus on noin 200 nm.

Perusteet

Syvyys, jolla laserenergia absorboituu, ja siten yhdellä laserpulssilla poistetun materiaalin määrä riippuu materiaalin optisista ominaisuuksista sekä laserin aallonpituudesta ja pulssin pituudesta. Kohteesta ablaatoitua kokonaismassaa laserpulssia kohti kutsutaan yleensä ablaatioasteeksi. Sellaiset lasersäteilyn piirteet, kuten lasersäteen skannausnopeus ja skannauslinjojen peitto, voivat merkittävästi vaikuttaa ablaatioprosessiin.

Laserpulssien voi vaihdella hyvin laajalla alueella kesto ( millisekuntia ja femtoseconds ) ja juoksutteiden, ja voidaan säädellä tarkasti. Tämä tekee laserablioinnista erittäin arvokasta sekä tutkimuksessa että teollisissa sovelluksissa.

Sovellukset

Yksinkertaisin laserablioinnin sovellus on poistaa materiaali kiinteältä pinnalta hallitusti. Laserkoneistus ja erityisesti laserporaus ovat esimerkkejä; pulssilaserit voivat porata erittäin pieniä, syviä reikiä erittäin kovien materiaalien läpi. Hyvin lyhyet laserpulssit poistavat materiaalin niin nopeasti, että ympäröivä materiaali imee hyvin vähän lämpöä, joten laserporaus voidaan tehdä herkille tai lämpöherkille materiaaleille, mukaan lukien hampaiden emali ( laserhampaat ). Useat työntekijät ovat käyttäneet laserablaatiota ja kaasukondensaatiota metallin, metallioksidien ja metallikarbidien nanohiukkasten tuottamiseksi.

Myös laserenergia voidaan absorboida valikoivasti pinnoitteilla, erityisesti metallilla, joten CO 2- tai Nd: YAG- pulssimaisia ​​lasereita voidaan käyttää pintojen puhdistamiseen, maalin tai pinnoitteen poistamiseen tai pintojen valmistelemiseen maalausta varten vahingoittamatta alla olevaa pintaa. Suuritehoiset laserit puhdistavat suuren pisteen yhdellä pulssilla. Pienitehoisemmissa lasereissa käytetään monia pieniä pulsseja, jotka voidaan skannata alueelta. Teollisissa sovelluksissa laserablaatio tunnetaan laserpuhdistuksena.

Teollisuuden 500 W: n laserpuhdistuslaitteet.

Yksi etuista on, että liuottimia ei käytetä, joten se on ympäristöystävällinen ja käyttäjät eivät ole alttiina kemikaaleille (olettaen, ettei mitään haitallista höyrystyisi). Se on suhteellisen helppo automatisoida. Käyttökustannukset ovat pienemmät kuin kuiva - aineen tai kuivajääpuhalluksen , vaikka investointikustannukset ovat paljon korkeammat. Prosessi on lempeämpi kuin hiontatekniikat, esim. Komposiittimateriaalissa olevat hiilikuidut eivät vahingoitu. Kohteen lämmitys on vähäistä.

Toinen sovellusluokka käyttää laserablaatiota poistetun materiaalin käsittelemiseksi uusiin muotoihin, joita joko ei ole mahdollista tai vaikea tuottaa muilla tavoin. Tuore esimerkki on hiilinanoputkien tuotanto .

Laserpuhdistusta käytetään myös ruosteen tehokkaaseen poistamiseen rautaesineistä; öljyn tai rasvan poisto eri pinnoilta; maalausten, veistosten, freskojen restaurointi. Lasinpoisto on yksi edullisista tekniikoista kumimuottien puhdistuksessa, koska muotin pintavauriot ovat vähäiset.

Maaliskuussa 1995 Guo et ai. oli raportoi ensimmäisenä käyttö laser on ablaation lohkon puhdasta grafiittia , ja myöhemmin grafiitti sekoitetaan katalyyttinen metalli . Katalyyttinen metalli voi koostua elementeistä, kuten koboltti , niobium , platina , nikkeli , kupari tai näiden binaarinen yhdistelmä. Komposiittilohko muodostetaan tekemällä tahna grafiittijauhetta, hiilisementtiä ja metallia. Tahna asetetaan seuraavaksi lieriömäiseen muottiin ja paistetaan useita tunteja. Kiinteytymisen jälkeen grafiittilohko asetetaan uunin sisään siten, että laser osoittaa siihen, ja argonkaasua pumpataan laserpisteen suuntaan. Uunin lämpötila on noin 1200 ° C. Kun laser tyhjentää kohteen, muodostuvat hiilinanoputket, jotka kaasuvirta kuljettaa viileään kuparikollektoriin. Kuten valokaaripurkaustekniikalla muodostetut hiilinanoputket , hiilinanoputken kuidut kerrostuvat sattumanvaraisesti ja sekaisin. Yksiseinämäiset nanoputket muodostetaan grafiitti- ja metallikatalyyttihiukkasten lohkosta, kun taas moniseinämäiset nanoputket muodostuvat puhtaasta grafiitin lähtöaineesta.

Tämäntyyppisen sovelluksen muunnelma on käyttää laserabliointia päällysteiden luomiseen poistamalla päällystemateriaali lähteestä ja antamalla sen kerrostua päällystettävälle pinnalle; tämä on erityinen fysikaalinen höyrysaostuminen, nimeltään pulssilaserlasitus (PLD), ja se voi luoda pinnoitteita materiaaleista, joita ei voida helposti haihduttaa millään muulla tavalla. Tätä prosessia käytetään eräiden korkean lämpötilan suprajohteiden ja laserkiteiden valmistamiseen.

Kauko-laser -spektroskopia käyttää laserablaatiota luoda plasmaa pintamateriaali; pinnan koostumus voidaan määrittää analysoimalla plasman lähettämän valon aallonpituudet.

Laserabliointia käytetään myös kuvion luomiseen poistamalla selektiivisesti pinnoite dikroosista suodattimesta. Näitä tuotteita käytetään lavavalaistuksessa suurikokoisiin projektioihin tai konenäön instrumenttien kalibrointiin.

Käyttövoima

Lopuksi laserabliointia voidaan käyttää impulssin siirtämiseen pintaan, koska ablatoitu materiaali levittää korkean paineen pulssin sen alla olevaan pintaan sen laajentuessa. Vaikutus on samanlainen kuin lyömällä pinta vasaralla. Tätä prosessia käytetään teollisuudessa metallipintojen kovettamiseen, ja se on yksi laser-aseen vaurioitumismekanismi . Se on myös perusta pulssi laser työntövoiman avaruusalus.

Valmistus

Tällä hetkellä kehitetään prosesseja laserablaation käyttämiseksi korkeapainekaasuturbiinikomponenttien lämpösulkupinnoitteen poistamisessa. Pienen lämmöntuoton takia TBC: n poisto voidaan suorittaa mahdollisimman vähän vahingoittamalla alla olevia metallipinnoitteita ja kantamateriaalia.

2D-materiaalien tuotanto

Nestefaasin laserhionta on tehokas menetelmä irtomateriaalien kuorimiseksi niiden 2-ulotteisiin (2D) muotoihin, kuten mustaan ​​fosforiin. 2D-materiaalien paksuutta ja sivukokoa voidaan hallita muuttamalla liuotin- ja laserenergiaa.

Kemiallinen analyysi

Laserablaatiota käytetään näytteenottomenetelmänä alku- ja isotooppianalyyseille, ja se korvaa perinteiset työläät menettelyt, joita yleensä vaaditaan kiinteiden näytteiden pilkkomiseksi happoliuoksissa. Laserableraationäytteenotto havaitaan tarkkailemalla näytteen pinnalla säteileviä fotoneja - tekniikkaa, jota kutsutaan nimellä LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) ja LAMIS (Laser Ablation Molecular Isotopic Spectrometry), tai kuljettamalla ablatoituneet massahiukkaset toissijaiseen virityslähteeseen, kuten induktiivisesti kytketty plasma . Sekä massaspektroskopia (MS) että optinen emissiospektroskopia (OES) voidaan kytkeä ICP: hen. Kemialliseen analyysiin tarkoitetun laserablaationäytteenoton etuihin eivät kuulu näytteen valmistelu, jätteet, vähäiset näytetarpeet, tyhjiövaatimukset, nopea näyteanalyysin läpimenoaika, spatiaalinen (syvyys- ja sivusuuntainen) resoluutio ja kemiallinen kartoitus. Laserhävityskemiallinen analyysi on käytännöllinen kaikilla toimialoilla, kuten kaivos-, geokemia-, energia-, ympäristö-, teollisuusjalostus-, elintarviketurvallisuus-, rikostekninen ja biologinen teollisuus. Kaikkia markkinoita varten on saatavilla kaupallisia instrumentteja, joilla voidaan mitata näytteen kaikki elementit ja isotoopit. Jotkut instrumentit yhdistävät sekä optisen että massatunnistuksen laajentaakseen analyysin kattavuutta ja herkkyyden dynaamista aluetta.

Biologia

Laserablaatiota käytetään tieteessä hermojen ja muiden kudosten tuhoamiseen niiden toiminnan tutkimiseksi. Esimerkiksi lampialan etanalajilla , Helisoma trivolvisilla , aistien hermosolujen laser voidaan poistaa pois, kun etana on edelleen alkio estääkseen näiden hermojen käytön.

Toinen esimerkki on Platynereis dumerilii'n trochophore- toukka , jossa toukkasilmä poistettiin ja toukat eivät olleet fototaktisia. Kuitenkin phototaxis vuonna nectochaete toukka Platynereis dumerilii ei välitä toukkien silmät, koska toukka on edelleen phototactic, vaikka toukkien silmät ablatoitu. Mutta jos aikuisten silmät poistetaan, nektokhaetti ei ole enää fototaktinen ja siten aikuisen silmät välittävät nektokhetan toukan valotaksin.

Laserablaatio voidaan myös tuhota yksittäisten solujen aikana sikiönkehi- organismin, kuten Platynereis dumerilii , vaikutuksen tutkimiseksi kadonneiden solujen kehityksen aikana.

Lääke

Lääketieteessä ablaatioon käytetään useita lasertyyppejä , mukaan lukien argon , hiilidioksidi (CO 2 ), väriaine , erbium , eksimeeri , Nd: YAG ja muut. Laserablaatio käytetään erilaisia lääketieteellisiä erikoisuuksia, kuten silmätaudit , kirurgia , neurokirurgia , ENT , hammaslääketieteen , suu- ja leukakirurgian ja eläinlääkärin . Lasersalpeleita käytetään ablaatioon sekä kova- että pehmytkudosleikkauksissa . Joitakin yleisimpiä toimenpiteitä, joissa käytetään laserabliointia, ovat LASIK , ihon pinnoitus , ontelon valmistelu, koepalat sekä kasvainten ja vaurioiden poisto. Pehmytkudosleikkauksissa CO 2 -lasersäde tyhjenee ja cauterizes samanaikaisesti, mikä tekee siitä käytännöllisimmän ja yleisimmän pehmytkudoslaserin.

Laserablaatiota voidaan käyttää hyvänlaatuisiin ja pahanlaatuisiin leesioihin eri elimissä, joita kutsutaan laserin aiheuttamaksi interstitiaaliseksi lämpöterapiaksi. Tärkeimmät sovellukset ovat tällä hetkellä hyvänlaatuisten kilpirauhasen kyhmyjen vähentäminen ja primaaristen ja sekundaaristen pahanlaatuisten maksavaurioiden tuhoaminen.

Laserablaatiota käytetään myös kroonisen laskimoiden vajaatoiminnan hoitoon .

Katso myös


Viitteet

Bibliografia