Лазерная абляция: принципы и применение

Введение

Лазерная абляция или фотоабляция (также называемая лазерным взрывом) — это процесс удаления материала с твердой (или иногда жидкой) поверхности путем ее облучения лазерным лучом. При низкой плотности лазерного потока материал нагревается поглощенной лазерной энергией и испаряется или сублимируется. При высокой плотности лазерного потока материал обычно превращается в плазму. Как правило, под лазерной абляцией понимают удаление материала с помощью импульсного лазера, однако абляция материала возможна и с использованием лазера непрерывного излучения, если его интенсивность достаточно высока. В то время как относительно длительные лазерные импульсы (например, наносекундные) могут нагревать и термически изменять или повреждать обрабатываемый материал, ультракороткие лазерные импульсы (например, фемтосекундные) вызывают минимальное повреждение материала в процессе обработки благодаря сверхкороткому взаимодействию света с веществом и, следовательно, также подходят для микрообработки материалов. Эксимерные лазеры, излучающие в глубоком ультрафиолетовом диапазоне, в основном используются для фотоабляции; длина волны лазера, применяемого при фотоаблации, составляет около 200 нм.

Основные

Глубина, на которой поглощается лазерная энергия, и, следовательно, количество материала, удаляемого одним лазерным импульсом, зависит от оптических свойств материала, длины волны лазера и длительности импульса. Общая масса материала, удаляемого с мишени за один лазерный импульс, обычно называется скоростью абляции. Такие характеристики лазерного излучения, как скорость сканирования лазерного луча и плотность покрытия сканирующих линий, могут существенно влиять на процесс абляции. Лазерные импульсы могут варьироваться в очень широком диапазоне длительности (от миллисекунд до фемтосекунд) и энергетических потоков, и могут быть точно контролируемы. Это делает лазерную абляцию очень ценной как для научных исследований, так и для промышленных применений.

Приложения

Простейшее применение лазерной абляции – контролируемое удаление материала с твердой поверхности. Примеры включают лазерную обработку и, в частности, лазерное сверление; импульсные лазеры способны просверливать чрезвычайно маленькие и глубокие отверстия в очень твердых материалах. Очень короткие лазерные импульсы удаляют материал настолько быстро, что окружающий материал поглощает незначительное количество тепла, поэтому лазерное сверление может применяться к хрупким или теплочувствительным материалам, включая зубную эмаль (лазерная стоматология). Ряд исследователей использовали лазерную абляцию и газовую конденсацию для получения наночастиц металлов, оксидов металлов и карбидов металлов. Кроме того, лазерная энергия может избирательно поглощаться покрытиями, особенно металлическими, поэтому импульсные лазеры CO2 или Nd:YAG могут использоваться для очистки поверхностей, удаления краски или покрытий, или подготовки поверхностей к покраске без повреждения основного слоя. Высокомощные лазеры очищают большие площади одним импульсом. Лазеры меньшей мощности используют множество небольших импульсов, которые могут сканироваться по поверхности. В некоторых отраслях промышленности лазерная абляция может называться лазерной очисткой. Одним из преимуществ является отсутствие необходимости в растворителях, что делает процесс экологически безопасным и исключает воздействие химических веществ на операторов (при условии, что не происходит испарения вредных веществ). Автоматизация процесса относительно проста. Эксплуатационные расходы ниже, чем при использовании сухих абразивов или сухой струи, хотя первоначальные капитальные затраты значительно выше. Процесс более щадящий, чем абразивные методы, например, углеродные волокна в композитных материалах не повреждаются. Нагрев обрабатываемого материала минимален. Другое направление применения лазерной абляции – переработка удаленного материала в новые формы, создание которых другими способами невозможно или затруднительно. Недавним примером является производство углеродных нанотрубок. Лазерная очистка также используется для эффективного удаления ржавчины с железных изделий, масла или жира с различных поверхностей, а также для реставрации картин, скульптур и фресок. Лазерная абляция является предпочтительным методом очистки резиновых форм благодаря минимальному повреждению поверхности формы. В марте 1995 года Guo и др. впервые сообщили об использовании лазера для абляции блока чистого графита, а затем графита, смешанного с каталитическим металлом. Каталитический металл может состоять из таких элементов, как кобальт, ниобий, платина, никель, медь или их бинарные комбинации. Композитный блок формируется путем приготовления пасты из графитового порошка, углецемента и металла. Затем пасту помещают в цилиндрическую форму и обжигают в течение нескольких часов. После затвердевания графитовый блок помещают в печь, на него направлен лазер, и через точку лазерного воздействия прокачивают аргон. Температура в печи составляет приблизительно 1200 °C. По мере абляции материала лазером формируются углеродные нанотрубки, которые переносятся потоком газа на охлаждаемый медный коллектор. Как и углеродные нанотрубки, полученные методом электрического дугового разряда, волокна углеродных нанотрубок осаждаются в беспорядочном и спутанном виде. Одностенные нанотрубки формируются из блока графита и частиц металлического катализатора, в то время как многостенные нанотрубки образуются из чистого графитового исходного материала. Вариацией этого применения является использование лазерной абляции для создания покрытий путем абляции материала покрытия из источника и его осаждения на покрываемую поверхность; это особый вид физического осаждения из паровой фазы, называемый импульсным лазерным осаждением (PLD), который позволяет создавать покрытия из материалов, которые трудно испарять другими способами. Этот процесс используется для производства некоторых типов высокотемпературных сверхпроводников и лазерных кристаллов. Дистанционная лазерная спектроскопия использует лазерную абляцию для создания плазмы из поверхностного материала; состав поверхности можно определить путем анализа длин волн света, излучаемого плазмой. Лазерная абляция также используется для создания рисунков путем селективного удаления покрытия с дихроичных фильтров. Эти продукты используются в сценическом освещении для создания высокоразмерных проекций или для калибровки приборов машинного зрения.

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.

Двигатель

Наконец, лазерная абляция может быть использована для передачи импульса поверхности, поскольку расширяющийся аблированный материал оказывает на неё импульс высокого давления. Эффект аналогичен удару молотком по поверхности. Этот процесс применяется в промышленности для упрочнения металлических поверхностей и является одним из механизмов повреждения при использовании лазерного оружия. Он также лежит в основе импульсной лазерной двигательной установки для космических аппаратов.

Производство

В настоящее время разрабатываются процессы применения лазерной абляции для удаления теплоизоляционного покрытия на компонентах газовых турбин высокого давления. Благодаря низкому тепловому воздействию, удаление теплоизоляционного покрытия может быть выполнено с минимальным повреждением базового металлического покрытия и основного материала.

Производство 2D материалов

Лазерная абляция в жидкой фазе — эффективный метод получения двумерных (2D) материалов, таких как черный фосфор, из объемных материалов. Варьируя растворитель и энергию лазера, можно управлять толщиной и латеральным размером 2D-материалов.

Химический анализ

Лазерная абляция используется как метод пробоподготовки для элементного и изотопного анализа, заменяя традиционные трудоемкие процедуры, обычно необходимые для растворения твердых образцов в кислотных растворах. Пробоподготовка лазерной абляцией осуществляется путем регистрации фотонов, испускаемых с поверхности образца – технология, известная как LIBS (лазерно-индуцированная спектроскопия) и LAMIS (лазерная абляционная молекулярная изотопная спектрометрия), либо путем переноса частиц абляции к вторичному источнику возбуждения, такому как индуктивно связанная плазма. Как масс-спектрометрия (MS), так и оптическая эмиссионная спектроскопия (OES) могут быть соединены с ИСП (индуктивно связанной плазмой). Преимущества пробоподготовки лазерной абляцией для химического анализа включают отсутствие необходимости в подготовке образцов, отсутствие отходов, минимальное количество требуемого образца, отсутствие необходимости в вакууме, высокую скорость анализа, пространственное (по глубине и в поперечном направлении) разрешение и возможность химического картирования. Химический анализ с использованием лазерной абляции применим практически во всех отраслях промышленности, включая горнодобывающую, геохимию, энергетику, экологию, промышленную переработку, безопасность пищевых продуктов, криминалистику и биологию. Коммерческие приборы доступны для всех рынков и позволяют измерять любой элемент и изотоп в образце. Некоторые приборы сочетают оптическое и масс-спектрометрическое детектирование для расширения диапазона анализа и повышения чувствительности.

Биология

Лазерная абляция используется в науке для разрушения нервов и других тканей с целью изучения их функции. Например, у вида прудовиков Helisoma trivolvis сенсорные нейроны удаляют лазерной абляцией на стадии эмбриона, чтобы предотвратить их использование. Другой пример – трохофорная личинка Platynereis dumerilii, у которой была проведена абляция глаз личинки, после чего личинка перестала проявлять фототаксис. Однако фототаксис у личинки нектохеты Platynereis dumerilii не опосредован глазами личинки, поскольку личинка остается фототаксичной даже после абляции глаз личинки. Но если провести абляцию взрослых глаз, то нектохета перестает быть фототаксичной, и таким образом фототаксис у личинки нектохеты опосредован взрослыми глазами. Лазерная абляция также может использоваться для разрушения отдельных клеток в процессе эмбриогенеза организма, например, Platynereis dumerilii, для изучения влияния отсутствия этих клеток на развитие.

Медицина

В медицине для абляции используется несколько типов лазеров, включая аргон, углекислый газ (CO2), лазеры на красителях, эрбий, эксимер, Nd:YAG и другие. Лазерная абляция применяется в различных медицинских областях, таких как офтальмология, общая хирургия, нейрохирургия, отоларингология, стоматология, челюстно-лицевая хирургия и ветеринария. Лазерные скальпели используются для абляции как твердых, так и мягких тканей. Некоторые из наиболее распространенных процедур, в которых применяется лазерная абляция, включают LASIK, шлифовку кожи, подготовку кариозных полостей, биопсию, а также удаление опухолей и поражений. В операциях на твердых тканях короткоимпульсные лазеры, такие как Er:YAG или Nd:YAG, осуществляют абляцию ткани при нагрузке или в условиях инерционного удержания. В операциях на мягких тканях лазерный луч CO2 одновременно абляции и коагулирует, что делает его наиболее практичным и распространенным лазером для работы с мягкими тканями. Лазерная абляция может применяться при доброкачественных и злокачественных новообразованиях в различных органах, что называется лазерной интерстициальной термотерапией. В настоящее время основными областями применения являются уменьшение доброкачественных узлов щитовидной железы и разрушение первичных и вторичных злокачественных образований печени. Лазерная абляция также используется для лечения хронической венозной недостаточности. См. также абляционная хирургия головного мозга.

Динамика материалов

Хорошо известная модель лазерной абляции, разработанная Кагановым и Анисимовым, называется двухтемпературной моделью. В этой модели энергия лазерного импульса поглощается твердым материалом, непосредственно стимулируя движение электронов и передавая тепло в кристаллическую решетку, которая является основой структуры твердого тела. Таким образом, рассматриваются две переменные: температура электронов и температура решетки. Их дифференциальные уравнения, как функция глубины, задаются следующим образом:

Здесь и – удельная теплоемкость электронов и решетки соответственно, – теплопроводность электронов, – тепловая связь между электронной и фононной системами решетки, а – энергия лазерного импульса, поглощенная материалом, обычно характеризуемая флюенцией. В зависимости от параметров лазера и их соотношения с временными масштабами тепловых процессов в материале, которые различаются для металлических и диэлектрических материалов, можно сделать некоторые приближения. Одним из наиболее важных экспериментальных параметров для характеристики материала является порог абляции – минимальная флюенция, при которой в абляционном шлейфе обнаруживается определенный атом или молекула. Этот порог зависит от длины волны лазера и может быть смоделирован, исходя из потенциала Леннарда-Джонса между атомами в решетке, но только на определенном этапе эволюции температуры, называемом гидродинамической стадией. Однако, как правило, это значение определяется экспериментально. Двухтемпературную модель можно расширять в каждом конкретном случае. Одним из заметных расширений является учет генерации плазмы. Для ультракоротких импульсов (которые подразумевают высокую флюенцию) было предложено, что также играет роль кулоновский взрыв, поскольку энергия лазера достаточно велика для генерации ионов в абляционном шлейфе. Для порога кулоновского взрыва определено значение электрического поля, которое выражается как:

где – энергия сублимации на атом, – плотность атомной решетки, а – диэлектрическая проницаемость.

Динамика шлейфа

Некоторые применения импульсной лазерной абляции сосредоточены на обработке и финишной обработке аблированного материала, но другие применения заинтересованы в материале, выбрасываемом с мишени. В этом случае характеристики плазменного шлейфа важнее моделировать. Теория Анисимова рассматривала эллиптическое газовое облако, расширяющееся в вакууме. В этой модели тепловое расширение доминирует в начальной динамике, оказывая незначительное влияние кинетическая энергия, однако математическое выражение основано на определенных предположениях и условиях экспериментальной установки. Параметры, такие как качество поверхности, предварительная подготовка области на мишени или угол падения лазерного луча относительно нормали к поверхности мишени, являются факторами, которые необходимо учитывать при анализе угла расхождения динамики шлейфа или его выхода.