Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Информацию о медицинской технике см. В разделе Лазерная термотерапия .
Приготовление наночастиц лазером в растворе
Лазерная абляция астероидоподобного образца

Лазерная абляция или фотоабляция - это процесс удаления материала с твердой (или иногда жидкой) поверхности путем облучения ее лазерным лучом. При низком лазерном потоке материал нагревается поглощенной лазерной энергией и испаряется или сублимируется . При высоком лазерном потоке материал обычно превращается в плазму . Обычно лазерная абляция относится к удалению материала с помощью импульсного лазера , но можно удалить материал с помощью непрерывного лазерного луча, если интенсивность лазера достаточно высока. Эксимерные лазерыглубокого ультрафиолетового света в основном используются при фотоабляции; длина волны лазера, используемого при фотоабляции, составляет примерно 200 нм.

Основы [ править ]

Глубина, на которой поглощается энергия лазера, и, следовательно, количество материала, удаляемого одним лазерным импульсом, зависит от оптических свойств материала, а также длины волны лазера и длительности 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 (от миллисекунд до фемтосекунд ) и потоков, и ими можно точно управлять. Это делает лазерную абляцию очень ценной как для исследовательских, так и для промышленных целей.

Приложения [ править ]

Самым простым применением лазерной абляции является контролируемое удаление материала с твердой поверхности. Лазерная обработка и особенно лазерное сверление являются примерами; 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 может выполняться на тонких или термочувствительных материалах, включая зубную эмаль ( 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 импульсные лазеры на CO 2 или Nd: YAG можно использовать для очистки поверхностей, удаления краски или покрытия или подготовки поверхностей к покраске без повреждения подстилающей 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 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). [ необходима цитата ] Это относительно легко автоматизировать. Эксплуатационные расходы ниже, чем при струйной очистке сухими средами или струей сухого льда , 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 углеродных нанотрубок .

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 лазера для абляции блока из чистого графита , а затем графита, смешанного с каталитическим металлом . [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 газ аргон прокачивается вдоль направления лазерной точки. Температура духовки составляет примерно 1200 ° C. Когда лазер разрушает мишень, образуются углеродные нанотрубки, которые потоком газа переносятся на холодный медный коллектор. Как углеродные нанотрубки, образованные с помощью дугового разрядаВ 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 тип физического осаждения из паровой фазы, называемый импульсным лазерным осаждением (PLD) [4], который позволяет создавать покрытия из материалов, которые не могут быть легко испарены другим способом. Этот процесс используется для производства некоторых типов высокотемпературных сверхпроводников и лазерных кристаллов. [5]

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

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

Двигательная установка [ править ]

Наконец, лазерная абляция может использоваться для передачи импульса поверхности, так как аблированный материал прикладывает импульс высокого давления к поверхности под собой при расширении. Эффект похож на удар молотком по поверхности. Этот процесс используется в промышленности для упрочнения металлических поверхностей и является одним из механизмов повреждения лазерного оружия . Это также основа импульсной лазерной тяги для космических аппаратов.

Производство [ править ]

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 [ править ]

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. 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 цикла анализа проб, пространственное (по глубине и по горизонтали) 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 медицина [6] и биология. [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 [ править ]

Лазерная абляция используется в науке для разрушения нервов и других тканей с целью изучения их функции. Например, у разновидности прудовой улитки , Helisoma trivolvis , сенсорные нейроны могут быть удалены с помощью лазера, когда улитка все еще является эмбрионом, чтобы предотвратить использование этих нервов. [9]

Другой пример - личинка трохофоры Platynereis dumerilii , у которой был удален глаз личинки, и личинки больше не были фототаксиальными. [10] Однако фототаксис у личинки- нектохета Platynereis dumerilii не опосредуется глазами личинки, потому что личинка все еще является фототактической, 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 эмбриогенеза организма, например Platynereis dumerilii , для изучения влияния недостающих клеток во время развития.

Медицина [ править ]

В медицине для абляции используются несколько типов лазеров , в том числе аргон , диоксид углерода (CO 2 ), краситель , эрбий , эксимерный , Nd: YAG и другие. Лазерная абляция используется в различных медицинских областях, включая офтальмологию , общую хирургию , нейрохирургию , ЛОР , стоматологию , челюстно-лицевую хирургию и ветеринарию . [12] Лазерные скальпели используются для абляции как при жестких, так иоперации на мягких тканях . Некоторые из наиболее распространенных процедур, при которых используется лазерная абляция, включают LASIK , [13] шлифовку кожи , подготовку полости, биопсию , а также удаление опухолей и поражений. [14] При операциях на мягких тканях лазерный луч CO 2 одновременно удаляет и прижигает, что делает его наиболее практичным и наиболее распространенным лазером для мягких тканей. [15]

Лазерная абляция может использоваться при доброкачественных и злокачественных новообразованиях в различных органах, что называется лазерной интерстициальной термотерапией. В настоящее время основные приложения включают уменьшение доброкачественных узлов щитовидной железы [16] и разрушение первичных и вторичных злокачественных поражений печени. [17] [18]

Лазерная абляция также используется для лечения хронической венозной недостаточности . [19]

См. Также [ править ]

  • Очистка деталей
  • Матричная лазерная десорбция / ионизация
  • Спектроскопия лазерного пробоя
  • Лазерная хирургия
  • Лазерная хирургия мягких тканей
  • ЛАСЕК
  • ЛАСИК
  • Лазерный скальпель
  • Стоматологический лазер
  • Лазерная резка
  • Лазерная гравировка
  • Лазерное склеивание
  • Список лазерных статей
  • Режим фотоионизации (ФП) оптического пробоя в режиме фотоионизации
  • Мягкое переоснащение


Ссылки [ править ]

  1. ^ Вейко В.П .; Скворцов А.М.; Huynh Cong Tu; Петров А.А. (2015). «Лазерная абляция монокристаллического кремния волоконным импульсным лазером» . Научно-технический журнал информационных технологий, механики и оптики . 15 (3): 426. DOI : 10,17586 / 2226-1494-2015-15-3-426-434 .
  2. Перейти ↑ Guo T, Nikolaev P, Rinzler D, Tomanek DT, Colbert DT, Smalley RE (1995). «Самосборка трубчатых фуллеренов». J. Phys. Chem. 99 (27): 10694–7. DOI : 10.1021 / j100027a002 .
  3. Перейти ↑ Guo T, Nikolaev P, Thess A, Colbert DT, Smalley RE (1995). «Каталитический рост однослойных нанотрубок методом лазерного испарения». Chem. Phys. Lett. 243 : 49–54. Bibcode : 1995CPL ... 243 ... 49В . DOI : 10.1016 / 0009-2614 (95) 00825-O .
  4. ^ Роберт Исон - Импульсное лазерное осаждение 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 . DOI : 10.1364 / ome.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 судебно-медицинских доказательств». Тенденции TrAC в аналитической химии . 42 : 1–34. DOI : 10.1016 / j.trac.2012.09.015 . ISSN 0165-9936 . 
  7. ^ Ургаст, Дагмар С .; Битти, Джон Х .; Фельдманн, Йорг (2014). «Визуализация микроэлементов в тканях». Текущее мнение о клиническом питании и метаболическом лечении . 17 (5): 431–439. DOI : 10,1097 / MCO.0000000000000087 . ISSN 1363-1950 . PMID 25023186 .  
  8. ^ Pozebon, Дирк; Scheffler, Guilherme L .; Дресслер, Вальдери Л .; Нуньес, Matheus AG (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. DOI : 10.1039 / C4JA00250D . ISSN 0267-9477 . 
  9. Перейти ↑ Kuang S, Doran SA, Wilson RJ, Goss GG, Goldberg JI (2002). «Серотонинергические сенсомоторные нейроны опосредуют поведенческий ответ на гипоксию у эмбрионов прудовой улитки». J. Neurobiol. 52 (1): 73–83. DOI : 10.1002 / neu.10071 . PMID 12115895 .  
  10. ^ Jékely, Гашпар; 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 : 2008Natur.456..395J . DOI : 10,1038 / природа07590 . PMID 19020621 . 
  11. ^ Рэндел, 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 . DOI : 10.7554 / eLife.02730 . PMC 4059887 . PMID 24867217 .  
  12. ^ Бергер, Ноэль А .; Эг, Питер Х. (2008-01-09). Ветеринарная лазерная хирургия: Практическое руководство . Джон Вили и сыновья . ISBN 9780470344125.
  13. ^ Маннерлин, CR; Кунс, SJ; Маршалл, Дж. (1988-01-01). «Фоторефрактивная кератэктомия: методика лазерной рефракционной хирургии». Журнал катаракты и рефракционной хирургии . 14 (1): 46–52. DOI : 10.1016 / s0886-3350 (88) 80063-4 . ISSN 0886-3350 . PMID 3339547 .  
  14. ^ «Использование лазера в стоматологии» . WebMD . Проверено 17 февраля 2017 .
  15. ^ Фогель, Альфред; Венугопалан, Васан (01.02.2003). «Механизмы импульсной лазерной абляции биологических тканей» (PDF) . Химические обзоры . 103 (2): 577–644. DOI : 10.1021 / cr010379n . ISSN 0009-2665 . PMID 12580643 .   
  16. ^ Валькави, Роберто; Риганти, Фабрицио; Бертани, Анджело; Формизано, Дебора; Пачелла, Клаудио М. (2010). «Чрескожная лазерная абляция холодных доброкачественных узлов щитовидной железы: последующее трехлетнее исследование у 122 пациентов». Щитовидная железа . 20 (11): 1253–1261. DOI : 10.1089 / thy.2010.0189 . ISSN 1050-7256 . PMID 20929405 .  
  17. ^ Pacella, 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. DOI : 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. DOI : 10.1016 / j.ejrad.2009.03.012 . PMID 19345541 . 
  19. ^ "Венозная болезнь Эндовенозная термическая абляция" . Кливлендская клиника . Проверено 10 августа 2015 .

Библиография [ править ]

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