Ablação a laser - Laser ablation

Para a técnica médica, consulte Termoterapia induzida por laser .
Preparação de nanopartículas por laser em solução
Ablação a laser de uma amostra semelhante a um asteróide

A ablação ou fotoablação a laser é o processo de remoção de material de uma superfície sólida (ou ocasionalmente líquida) irradiando-a com um feixe de laser . Em baixo fluxo de laser, o material é aquecido pela energia do laser absorvida e evapora ou sublima . Em alto fluxo de laser, o material é normalmente convertido em plasma . Normalmente, a ablação a laser refere-se à remoção do material com um laser pulsado , mas é possível fazer a ablação do material com um feixe de laser de onda contínua se a intensidade do laser for alta o suficiente. Os lasers de excímero de luz ultravioleta profunda são usados ​​principalmente na fotoablação; o comprimento de onda do laser usado na fotoablação é de aproximadamente 200 nm.

Fundamentos

A profundidade na qual a energia do laser é absorvida e, portanto, a quantidade de material removido por um único pulso de laser, depende das propriedades ópticas do material e do comprimento de onda e do pulso do laser . A massa total ablacionada do alvo por pulso de laser é geralmente referida como taxa de ablação. Características da radiação laser, como a velocidade de varredura do feixe de laser e a cobertura das linhas de varredura, podem influenciar significativamente o processo de ablação.

Os pulsos de laser podem variar em uma ampla faixa de duração ( milissegundos a femtossegundos ) e fluxos, e podem ser controlados com precisão. Isso torna a ablação a laser muito valiosa para aplicações industriais e de pesquisa.

Formulários

A aplicação mais simples da ablação a laser é remover o material de uma superfície sólida de maneira controlada. A usinagem a laser e, em particular, a perfuração a laser são exemplos; os lasers pulsados ​​podem fazer orifícios extremamente pequenos e profundos em materiais muito duros. Pulsos de laser muito curtos removem o material tão rapidamente que o material circundante absorve muito pouco calor, então a perfuração a laser pode ser feita em materiais delicados ou sensíveis ao calor, incluindo o esmalte dentário ( odontologia a laser ). Vários trabalhadores empregaram ablação a laser e condensação de gás para produzir nanopartículas de metal, óxidos de metal e carbonetos de metal.

Além disso, a energia do laser pode ser absorvida seletivamente por revestimentos, particularmente em metal, de modo que os lasers pulsados ​​de CO 2 ou Nd: YAG podem ser usados ​​para limpar superfícies, remover tinta ou revestimento ou preparar superfícies para pintura sem danificar a superfície subjacente. Lasers de alta potência limpam um grande ponto com um único pulso. Lasers de baixa potência usam muitos pulsos pequenos que podem ser escaneados em uma área. Na aplicação industrial, a ablação a laser é conhecida como limpeza a laser.

Equipamento de limpeza industrial a laser 500W.

Uma das vantagens é que nenhum solvente é usado, portanto, é ecologicamente correto e os operadores não são expostos a produtos químicos (presumindo que nada prejudicial seja vaporizado). É relativamente fácil de automatizar. Os custos operacionais são mais baixos do que a mídia seca ou a explosão de gelo seco , embora os custos de investimento de capital sejam muito mais altos. O processo é mais suave do que as técnicas abrasivas, por exemplo, as fibras de carbono em um material composto não são danificadas. O aquecimento do alvo é mínimo.

Outra classe de aplicações usa a ablação a laser para processar o material removido em novas formas impossíveis ou difíceis de produzir por outros meios. Um exemplo recente é a produção de nanotubos de carbono .

A limpeza a laser também é usada para remoção eficiente de ferrugem em objetos de ferro; remoção de óleo ou graxa de várias superfícies; restauração de pinturas, esculturas, afrescos. A ablação a laser é uma das técnicas preferidas para a limpeza do molde de borracha devido ao mínimo dano à superfície do molde.

Em março de 1995, Guo et al. foram os primeiros a relatar o uso de um laser para ablação de um bloco de grafite pura e, posteriormente, grafite misturada com metal catalítico . O metal catalítico pode consistir em elementos como cobalto , nióbio , platina , níquel , cobre ou uma combinação binária dos mesmos. O bloco composto é formado pela fabricação de uma pasta de pó de grafite, cimento de carbono e o metal. A seguir, a pasta é colocada em um molde cilíndrico e cozida por várias horas. Após a solidificação, o bloco de grafite é colocado dentro de um forno com um laser apontado para ele, e o gás argônio é bombeado ao longo da direção da ponta do laser. A temperatura do forno é de aproximadamente 1200 ° C. À medida que o laser faz a ablação do alvo, nanotubos de carbono se formam e são transportados pelo fluxo de gás para um coletor de cobre frio. Como os nanotubos de carbono formados usando a técnica de descarga de arco elétrico , as fibras de nanotubos de carbono são depositadas de forma aleatória e emaranhada. Nanotubos de parede única são formados a partir do bloco de grafite e partículas de catalisador de metal, enquanto nanotubos de paredes múltiplas são formados a partir do material de partida de grafite puro.

Uma variação desse tipo de aplicação é usar a ablação a laser para criar revestimentos por ablação do material de revestimento de uma fonte e deixando-o depositar na superfície a ser revestida; este é um tipo especial de deposição de vapor físico chamado deposição de laser pulsado (PLD) e pode criar revestimentos de materiais que não podem ser facilmente evaporados de outra forma. Este processo é usado para fabricar alguns tipos de supercondutores de alta temperatura e cristais de laser.

A espectroscopia a laser remota usa ablação a laser para criar um plasma a partir do material da superfície; a composição da superfície pode ser determinada analisando os comprimentos de onda da luz emitida pelo plasma.

A ablação a laser também é usada para criar padrões, removendo seletivamente o revestimento do filtro dicróico . Estes produtos são utilizados em iluminação de palco para projeções dimensionais ou para calibração de instrumentos de visão mecânica.

Propulsão

Finalmente, a ablação a laser pode ser usada para transferir o momento para uma superfície, uma vez que o material ablacionado aplica um pulso de alta pressão na superfície abaixo dele conforme ele se expande. O efeito é semelhante a bater na superfície com um martelo. Este processo é usado na indústria para endurecer superfícies metálicas e é um mecanismo de dano para uma arma a laser . É também a base da propulsão a laser pulsado para espaçonaves.

Manufatura

Processos estão sendo desenvolvidos para usar ablação a laser na remoção de revestimento de barreira térmica em componentes de turbinas a gás de alta pressão. Devido à baixa entrada de calor, a remoção do TBC pode ser concluída com danos mínimos aos revestimentos metálicos subjacentes e ao material de base.

Produção de materiais 2D

A ablação a laser na fase líquida é um método eficiente para esfoliar materiais a granel em suas formas bidimensionais (2D), como o fósforo preto. Ao alterar o solvente e a energia do laser, a espessura e o tamanho lateral dos materiais 2D podem ser controlados.

Análises químicas

A ablação a laser é usada como método de amostragem para análise elementar e isotópica e substitui os procedimentos laboriosos tradicionais geralmente necessários para digerir amostras sólidas em soluções ácidas. A amostragem de ablação a laser é detectada monitorando os fótons emitidos na superfície da amostra - uma tecnologia conhecida como LIBS (Espectroscopia Induzida por Laser) e LAMIS (Espectrometria Isotópica Molecular de Ablação por Laser), ou transportando as partículas de massa ablacionadas para uma fonte de excitação secundária, como o plasma acoplado indutivamente . Tanto a espectroscopia de massa (MS) quanto a espectroscopia de emissão óptica (OES) podem ser acopladas ao ICP. Os benefícios da amostragem de ablação a laser para análise química incluem nenhuma preparação de amostra, nenhum desperdício, requisitos mínimos de amostra, nenhum requisito de vácuo, tempo de retorno rápido da análise de amostra, resolução espacial (profundidade e lateral) e mapeamento químico. A análise química de ablação a laser é viável para praticamente todas as indústrias, como mineração, geoquímica, energia, ambiental, processamento industrial, segurança alimentar, forense e biológica. Os instrumentos comerciais estão disponíveis para todos os mercados para medir cada elemento e isótopo dentro de uma amostra. Alguns instrumentos combinam detecção ótica e de massa para estender a cobertura da análise e faixa dinâmica de sensibilidade.

Biologia

A ablação a laser é usada na ciência para destruir nervos e outros tecidos para estudar sua função. Por exemplo, uma espécie de caracol de lagoa , Helisoma trivolvis , pode ter seus neurônios sensoriais removidos a laser quando o caracol ainda é um embrião para evitar o uso desses nervos.

Outro exemplo é a larva trocóforo de Platynereis dumerilii , onde o olho larval foi ablacionado e a larva deixou de ser fototática. No entanto, a fototaxia na larva nectochaeta de Platynereis dumerilii não é mediada pelos olhos larvais, porque a larva ainda é fototática, mesmo que os olhos larvais sejam ablacionados. Mas se os olhos adultos são submetidos à ablação, o nectochaeta não é mais fototático e, portanto, a fototaxia na larva do nectochaeta é mediada pelos olhos do adulto.

A ablação a laser também pode ser usada para destruir células individuais durante a embriogênese de um organismo, como Platynereis dumerilii , para estudar o efeito de células ausentes durante o desenvolvimento.

Medicamento

Existem vários tipos de laser usados ​​na medicina para ablação, incluindo argônio , dióxido de carbono (CO 2 ), corante , érbio , excimer , Nd: YAG e outros. A ablação a laser é usada em uma variedade de especialidades médicas, incluindo oftalmologia , cirurgia geral , neurocirurgia , otorrinolaringologia , odontologia , cirurgia oral e maxilofacial e veterinária . Bisturis a laser são usados ​​para ablação em cirurgias de tecidos moles e duros . Alguns dos procedimentos mais comuns em que a ablação a laser é usada incluem LASIK , recapeamento da pele , preparação da cavidade, biópsias e remoção de tumor e lesão. Nas cirurgias de tecidos moles, o feixe de laser de CO 2 faz ablação e cauterização simultaneamente, tornando-se o laser de tecidos moles mais prático e comum.

A ablação a laser pode ser usada em lesões benignas e malignas em vários órgãos, o que é chamado de termoterapia intersticial induzida por laser. As principais aplicações atualmente envolvem a redução de nódulos tireoidianos benignos e a destruição de lesões hepáticas malignas primárias e secundárias.

A ablação a laser também é usada para tratar a insuficiência venosa crônica .

Veja também


Referências

Bibliografia