Лазерлік абляция: Материалды жою процесі мен медицинада қолданылуы

Кіріспе

Лазерлік абляция немесе фотоабляция (кейде лазерлік жарылыс деп те аталады) – лазерлік сәулемен сәулелендіру арқылы қатты (немесе сирек жағдайларда сұйық) беттен материалды жою процесі. Лазерлік ағыны төмен болғанда, материал сіңірілген лазерлік энергиямен қыздырылып, буланып немесе сублимацияланады. Лазерлік ағыны жоғары болғанда, материал көбінесе плазмаға айналады. Лазерлік абляция көбінесе импульстік лазермен материалды жоюды білдіреді, бірақ лазер қарқындылығы жеткілікті деңгейде болса, үздіксіз толқынды лазер сәулесімен де материалды жоюға болады. Салыстырмалы түрде ұзақ лазерлік импульстер (мысалы, наносекундтық импульстер) өңделетін материалды қыздырып, термиялық өзгерістерге немесе зақымдауға әкелсе, ультрақысқа лазерлік импульстер (мысалы, фемтосекундтық импульстер) өңдеу кезіндегі жарық пен материяның өте қысқа уақыттық өзара әрекеттесуінің нәтижесінде материалға минимал зиян келтіреді, сондықтан микроматериалдарды өңдеуге де қолайлы. Фотоабляцияда негізінен терең ультракөк сәулелі эксимер лазерлері қолданылады; фотоабляцияда қолданылатын лазердің толқын ұзындығы шамамен 200 нм құрайды.

Негізгі қағидалар

Лазерлік энергияның сіңірілетін тереңдігі, сондай-ақ бір лазерлік импульспен алынып тасталатын материалдың мөлшері, материалдың оптикалық қасиеттеріне, лазерлік толқын ұзындығына және импульс ұзақтығына байланысты. Лазерлік импульс арқылы нысанадан алынып тасталған жалпы масса абляция жылдамдығы деп аталады. Лазерлік сәулеленудің лазерлік сәулені сканерлеу жылдамдығы және сканерлеу сызықтарының жабылу сипаттамалары абляция процесіне маңызды әсер ете алады. Лазерлік импульстердің ұзақтығы (миллисекундтардан фемтосекундтарға дейін) және қарқыны өте кең ауқымда өзгеріп, нақты басқарылуы мүмкін. Бұл лазерлік абляцияны ғылыми зерттеулер мен өнеркәсіптік қолдану үшін өте бағалы етеді.

Қолданбалар

Лазерлік абляцияның ең қарапайым қолданысы – қатты беттен материалды бақыланатын түрде алып тастау. Лазерлік өңдеу, әсіресе лазерлік тесік жару, осыған мысал. Импульстік лазерлер өте қатты материалдарда өте кішкентай, терең тесіктер жасауға қабілді. Лазерлік импульстер өте қысқа болғандықтан, айналадағы материал аз мөлшерде жылу сіңіреді, сондықтан лазерлік тесік жару нәзік немесе жылуға сезімтал материалдарда, тіпті тіс эмалінде де (лазерлік стоматология) қолданылуы мүмкін. Бірнеше зерттеушілер лазерлік абляция мен газ конденсациясын пайдаланып металл, металл оксидтері және металл карбидтерінің нанобөлшектерін өндірген. Сонымен қатар, лазерлік энергия жабындарға, әсіресе металл беттерге, таңдап сіңірілуі мүмкін. Сондықтан CO2 немесе Nd:YAG импульстік лазерлерін беттерді тазалау, бояуды немесе жабынды жою, немесе бояу үшін беттерді дайындау үшін, төменгі бетке зақым келтірмей қолдануға болады. Жоғары қуатты лазерлер бір импульспен үлкен аумақты тазалайды. Төмен қуатты лазерлер көптеген кішкентай импульстерді пайдаланады, оларды аумақ бойынша сканерлеуге болады. Кейбір салаларда лазерлік абляция лазерлік тазалау деп аталады. Оның бір артықшылығы – еріткіштер қолданылмайды, сондықтан ол экологиялық таза және операторлар зиянды химиялық заттарға ұшырамайды (егер зиянды заттар буланып кетпесе). Оны автоматтандыру оңай. Пайдалану шығындары құрғақ ортаға немесе мұзды құммен тазалауға қарағанда төмен, бірақ бастапқы инвестициялық шығындар жоғары. Бұл процесс абразивтік әдістерге қарағанда жұмсақ, мысалы, композиттік материалдағы көміртек талшықтары зақымдалмайды. Нысананың қызуы минималды. Қолданудың тағы бір класы лазерлік абляцияны алынған материалды жаңа формаларға өңдеу үшін пайдаланады, оларды басқа тәсілдермен өндіру мүмкін емес немесе қиын. Соңғы мысал – көміртек нанотүтікшелерді өндіру. Лазерлік тазалау темірден жасалған бұйымдардан тотты жоюға, түрлі беттерден майды немесе майды жоюға, картиналарды, мүсіндерді, фрескаларды қалпына келтіруге қолданылады. Лазерлік абляция резеңке қалыпты тазалаудың тиімді әдісі болып табылады, себебі қалыптың бетіне минималды зақым келтіреді. 1995 жылдың наурыз айында Guo және авторлар тобы таза графит блогын лазерлік абляция арқылы өңдегенін, содан кейін каталитикалық металл қосылған графитті өңдегенін алғаш рет хабарлады. Каталитикалық металл кобальт, ниобий, платина, никель, мыс немесе олардың екілік қоспаларынан тұруы мүмкін. Композиттік блок графит ұнтағы, көміртек цементі және металлдан жасалған пастадан жасалады. Паста цилиндр тәрізді қалыпқа салынып, бірнеше сағат бойы қыздырылады. Қаттыланғаннан кейін графит блогы лазер бағытталған пешке салынып, лазер нүктесінің бағыты бойынша аргон газы сорылады. Пештің температурасы шамамен 1200°C. Лазер нысананы абляциялағанда көміртек нанотүтікшелер пайда болады және газ ағынымен салқын мыс коллекторға жеткізіледі. Электр доғасының разрядымен жасалған көміртек нанотүтікшелер сияқты, көміртек нанотүтікше талшықтары да ретсіз және түйіскен күйде орналасады. Графит пен металл катализаторының бөлшектерінен бір қабырғалы нанотүтікшелер, ал таза графит бастапқы материалынан көп қабырғалы нанотүтікшелер жасалады. Бұл қолдану түрінің бір нұсқасы – лазерлік абляцияны пайдаланып жабындар жасау, жабын материалдарын бір көзден алып тастау және оны жабылатын бетке шөгіндіру. Бұл импульсті лазерлік шөгінді (PLD) деп аталатын физикалық будың арнайы түрі және басқа тәсілдермен булануға қиын материалдардан жабындар жасауға мүмкіндік береді. Бұл процесс кейбір жоғары температуралы суперөткізгіштер мен лазерлік кристалдарды өндіру үшін қолданылады. Қашықтан лазерлік спектроскопия бет материалдарынан плазма жасау үшін лазерлік абляцияны пайдаланады. Плазманың шығаратын жарығының толқын ұзындығын талдау арқылы бет құрамын анықтауға болады. Лазерлік абляция дихрофильтрден жабындыны таңдап алып тастау арқылы өрнектер жасау үшін де қолданылады. Бұл өнімдер сахна жарығында жоғары өлшемді проекциялар үшін немесе машиналық көру құралдарын калибрлеу үшін қолданылады.

The simplest application of laser ablation is to remove material from a solid surface in a controlled fashion. Laser machining and particularly laser drilling are examples; pulsed lasers can drill extremely small, deep holes through very hard materials. Very short laser pulses remove material so quickly that the surrounding material absorbs very little heat, so laser drilling can be done on delicate or heat sensitive materials, including tooth enamel (laser dentistry). Several workers have employed laser ablation and gas condensation to produce nano particles of metal, metal oxides and metal carbides. Also, laser energy can be selectively absorbed by coatings, particularly on metal, so CO2 or Nd:YAG pulsed lasers can be used to clean surfaces, remove paint or coating, or prepare surfaces for painting without damaging the underlying surface. High power lasers clean a large spot with a single pulse. Lower power lasers use many small pulses which may be scanned across an area. In some industries laser ablation may be referred to as laser cleaning. One of the advantages is that no solvents are used, therefore it is environmentally friendly and operators are not exposed to chemicals (assuming nothing harmful is vaporized). It is relatively easy to automate. The running costs are lower than dry media or dry ice blasting, although the capital investment costs are much higher. The process is gentler than abrasive techniques, e. g. carbon fibres within a composite material are not damaged. Heating of the target is minimal. Another class of applications uses laser ablation to process the material removed into new forms either not possible or difficult to produce by other means. A recent example is the production of carbon nanotubes. Laser cleaning is also used for efficient rust removal from iron objects; oil or grease removal from various surfaces; restoration of paintings, sculptures, frescoes. Laser ablation is one of preferred techniques for rubber mold cleaning due to minimal surface damage to the mold. In March 1995 Guo et al. were the first to report the use of a laser to ablate a block of pure graphite, and later graphite mixed with catalytic metal. The catalytic metal can consist of elements such as cobalt, niobium, platinum, nickel, copper, or a binary combination thereof. The composite block is formed by making a paste of graphite powder, carbon cement, and the metal. The paste is next placed in a cylindrical mold and baked for several hours. After solidification, the graphite block is placed inside an oven with a laser pointed at it, and argon gas is pumped along the direction of the laser point. The oven temperature is approximately 1200 °C. As the laser ablates the target, carbon nanotubes form and are carried by the gas flow onto a cool copper collector. Like carbon nanotubes formed using the electric arc discharge technique, carbon nanotube fibers are deposited in a haphazard and tangled fashion. Single walled nanotubes are formed from the block of graphite and metal catalyst particles, whereas multi walled nanotubes form from the pure graphite starting material. A variation of this type of application is to use laser ablation to create coatings by ablating the coating material from a source and letting it deposit on the surface to be coated; this is a special type of physical vapor deposition called pulsed laser deposition (PLD), and can create coatings from materials that cannot readily be evaporated any other way. This process is used to manufacture some types of high temperature superconductor and laser crystals. Remote laser spectroscopy uses laser ablation to create a plasma from the surface material; the composition of the surface can be determined by analyzing the wavelengths of light emitted by the plasma. Laser ablation is also used to create pattern, removing selectively coating from dichroic filter. This products are used in stage lighting for high dimensional projections, or for calibration of machine vision's instruments.

Қозғалтқыш

Ақырында, лазерлік абляция бетке импульс беру үшін қолданылуы мүмкін, себебі абляцияланған материал кеңейген кезде төмендегі бетке жоғары қысым импульсін түсіреді. Бұл әсер, бетке балғамен соққанмен бірдей. Бұл процесс индустрияда металл беттерін нығайту үшін пайдаланылады, сондай-ақ лазерлік қарудың зақымдану механизмдерінің бірі болып табылады. Бұдан өзге, бұл ғарыш кемелерін импульсті лазерлік жетегімен қозғаудың негізіне жатады.

Өңдеу

Қазіргі уақытта жоғары қысымды газ турбинасы компоненттеріндегі жылу оқшаулағыш қабатты жою үшін лазерлік абляцияны қолдану процестері әзірленуде. Төмен жылу беруге байланысты, жылу оқшаулағыш қабатты негізгі металл жабындары мен бастапқы материалға минимал зиян келтіре отырып алуға болады.

2D материалдарды өндіру

Сұйық фазадағы лазерлік абляция – қара фосфор сияқты көлемді материалдарды екі өлшемді (2D) нысандарға айналдырудың тиімді әдісі. Еріткішті және лазерлік энергияны өзгерту арқылы 2D материалдардың қалыңдығы мен көлденең өлшемдерін басқару мүмкін.

Химиялық талдау

Лазерлік абляция элементтік және изотоптық талдау үшін үлгі алу әдісі ретінде қолданылады, және қышқыл ерітінділеріндегі қатты үлгілерді қорыту үшін қажетті дәстүрлі, көп еңбекті талап ететін процедураларды алмастырады. Лазерлік абляциямен үлгі алу, үлгі бетінде шығарылатын фотондарды бақылау арқылы анықталады – бұл технология LIBS (лазерлік индукциялық бөлшектеу спектроскопиясы) және LAMIS (лазерлік абляция молекулалық изотоптық спектрометриясы) деп аталады, немесе абляцияланған массалық бөлшектерді индуктивті түрлендірілген плазма сияқты екіншілік қозу көзіне тасымалдау арқылы анықталады. Массалық спектроскопия (МС) және оптикалық эмиссиялық спектроскопия (ОЭС) екеуі де индуктивті түрлендірілген плазмамен (ИТП) біріктірілуі мүмкін. Химиялық талдау үшін лазерлік абляция үлгі алудың артықшылықтарына үлгіні дайындау қажеттігінің жоқтығы, қалдықтардың болмауы, үлгіге минималды талаптар, вакуум қажеттілігінің жоқтығы, үлгіні талдаудың жылдамдығы, кеңістіктік (тереңдік және көлденең) ажыратымдылығы және химиялық карта жасау кіреді. Лазерлік абляция химиялық талдауы тау-кен өндіру, геохимия, энергетика, қоршаған орта, өнеркәсіптік өңдеу, азық-түлік қауіпсіздігі, сот-медициналық сараптама және биология сияқты барлық салалар үшін тиімді. Барлық нарықтарда әрбір элементті және изотопты өлшеуге арналған коммерциялық құралдар қолжетімді. Кейбір құралдар талдау мүмкіндіктерін кеңейту және сезімталдықтың динамикалық диапазонын арттыру үшін оптикалық және массалық анықтауды біріктіреді.

Биология

Лазерлік абляция ғылымда жүйкелер мен басқа тіндерді олардың қызметін зерттеу үшін жоюға қолданылады. Мысалы, Helisoma trivolvis деп аталатын көл шаянының бір түрінің сезімдік нейрондары әлі эмбрионда болғанда лазерлік абляция арқылы алынып тасталады, бұл осы жүйкелердің қолданылуын болдырмайды. Тағы бір мысал – Platynereis dumerilii трохофор личинкасы, онда личинканың көзі алынып тасталғанда, личинка енді фототаксистік емес. Дегенмен, Platynereis dumerilii нектохета личинкасындағы фототаксис личинка көздерімен байланысты емес, себебі личинканың көздері алынып тасталған күнде де фототаксистік қасиетін сақтайды. Егер ересек көздер алынып тасталса, онда нектохета енді фототаксистік емес, демек нектохета личинкасындағы фототаксис ересек көздермен жүзеге асырылады. Лазерлік абляция организмнің, мысалы Platynereis dumerilii-дің эмбриогенезі кезінде жеке жасушаларды жоюға да қолданылады, осылайша даму кезінде жасушалардың жетіспеуінің әсерін зерттеуге болады.

Медицина

Медицинада абляция үшін аргон, көмірқышқыл газы (CO2), бояғыш, эрбий, эксимер, Nd:YAG және басқа да бірнеше лазер түрлері қолданылады. Лазерлік абляция офтальмология, жалпы хирургия, нейрохирургия, КҚС (Құлақ, Құмшақ, Тамақ), стоматология, ауыз және жақ-бет хирургиясы, ветеринария сияқты түрлі медициналық салаларда қолданылады. Лазерлік скальпельдер қатты және жұмсақ тіндердегі операцияларда абляция үшін пайдаланылады. Лазерлік абляция қолданылатын ең көп таралған процедуралардың қатарында ЛАСИК, тері жаңарту, қуыс дайындау, биопсия, ісіктер мен зақымдануларды жою бар. Қатты тіндердегі операцияларда Er:YAG немесе Nd:YAG сияқты қысқа импульсті лазерлер, стресс немесе инерциялық шектеу жағдайында тіндерді абляциялайды. Жұмсақ тіндердегі операцияларда CO2 лазер сәулесі бір мезгілде абляциялап және күйдіреді, осылайша ол ең тиімді және ең көп қолданылатын жұмсақ тіндер лазері болып табылады. Лазерлік абляция түрлі органдардағы қатерсіз және қатерлі зақымдануларға қолданылуы мүмкін, бұл лазерлік индукцияланған интерстициалдық термотерапия деп аталады. Қазіргі уақытта негізгі қолданылу аймақтары – қатерсіз буынбезі түйіндерін азайту және бауырдың біріншілік және екіншілік қатерлі ісіктерін жою. Лазерлік абляция созылмалы веноздық жеткіліксіздікті емдеу үшін де қолданылады. Сондай-ақ, абляциялық ми хирургиясы туралы да қараңыз.

Материалдық динамика

Лазерлік абляция үшін жақсы қалыптасқан негіз Каганов пен Анисимовтың екі температуралық моделі деп аталады. Онда лазерлік импульстің энергиясы қатты материалға сіңіріледі, бұл электрондардың қозғалысын тікелей ынталандырады және қатты дененің кристалдық құрылымын құрайтын торға жылуды жеткізеді. Осылайша, екі айнымалы бар: электрондардың температурасы және тордың температурасы. Олардың дифференциалдық теңдеулері тереңдікке тәуелділік ретінде келесідей беріледі:

Мұнда және – электрондардың және тордың нақты жылусыйымдылығы, – электрондардың жылу өткізгіштігі, – электрон мен (тор) фонондық жүйелер арасындағы жылулық байланыс, ал – дененің сіңірген лазерлік импульсінің энергиясы, әдетте флюенс арқылы сипатталады. Лазер параметрлеріне және нысанадағы жылу процестерінің уақыт өлшемдеріне байланысты, нысана металл немесе диэлектрик болып табылатын жағдайға қарай, кейбір жуықтаулар жасауға болады. Нысананы сипаттау үшін маңызды эксперименттік параметрлердің бірі – абляция шегі, яғни абляциялық плазмада белгілі бір атом немесе молекула байқалатын ең төменгі флюенс. Бұл шек лазердің толқын ұзындығына байланысты және тордағы атомдар арасындағы Леннард-Джонс потенциалын ескере отырып, температураның өзгеру кезеңіндегі гидродинамикалық кезеңде ғана симуляциялануы мүмкін. Дегенмен, бұл мән көбінесе тәжірибелік жолмен анықталады. Екі температуралық модель әрбір жағдай бойынша кеңейтілуі мүмкін. Оның бір ерекше кеңейтілуі – плазманың пайда болуы. Өте қысқа импульстер үшін (үлкен флюенске нұсқау береді), Кулон жарылысы да маңызды рөл атқарады, себебі лазерлік энергия абляциялық плазмада иондарды тудыруға жеткілікті. Кулон жарылысы шегі үшін электр өрісінің мәні анықталған, ол келесідей беріледі:

мұнда – атомға шаққандағы сублимация энергиясы, – атомдық тордың тығыздығы және – диэлектрлік өтімділік.

Қауырсын динамикасы

Импульстік лазерлік абляцияның кейбір қолданыстары абляцияланған материалды өңдеуге және оның бетін тегістеуге бағытталған, бірақ басқа қолданыстар нысанадан шығарылған материалға қызығушылық танытады. Мұндай жағдайда абляциялық плазманың қасиеттерін модельдеу маңыздырақ. Анисимовтың теориясы вакуумда кеңейіп жатқан эллипстік газ бұлтын қарастырды. Бұл модельде бастапқы динамикада термиялық кеңею басым, кинетикалық энергияның әсері шамалы, бірақ математикалық өрнегі эксперименттік жағдайлардағы болжамдар мен шарттарға тәуелді. Плазманың таралу бұрышын немесе оның шығымын байқағанда, беткі өңдеу сапасы, нысанадағы дақты алдын ала дайындау, лазер сәулесінің нысана бетіне перпендикулярға қатысты бұрышы сияқты параметрлерді ескеру қажет.