Лазерна абляція та лазерне очищення Allied Scientific Pro
Вступ
Лазерна абляція - це процес, за допомогою якого імпульсний лазер відкладає певну кількість енергії на поверхню, і він видаляє матеріал випаровуванням або сублімацією. CW-лазери також можуть використовуватися для лазерної абляції, але імпульсні лазери є більш поширеними. Цей процес можна використовувати для видалення шару фарби з поверхні або забруднення з поверхонь статуй та історичних пам’яток. Отже, лазерне очищення стосується видалення забруднень з поверхонь за допомогою лазерної абляції. На малюнку 1 нижче показаний процес лазерної абляції, за допомогою якого матеріали з поверхні випаровуються.
Рисунок 1: Лазерна абляція
Типи лазерів, що застосовуються при лазерній абляції
Оптичні (дугові лампи) або газорозрядні
Різні моделі: ArF (193 нм), XeBr (282 нм), XeF (351 нм) тощо.
Дугові лампи або лазерний діод
Можлива генерація гармонік (532 нм, 266 нм)
Дорого через необхідність лазерної накачки
Волокно, леговане ербієм
Використання волоконної решітки Брегга як відбивача
Таблиця 1: Різні типи лазерів, що використовуються для лазерної абляції
Як вибрати лазер для конкретного матеріалу?
Рисунок 2: Оптична та теплова глибина проникнення
L T залежить від теплової дифузійності D T, яка, в свою чергу, залежить від питомої теплоємності c p і щільності матеріалу ρ, де D T = k ρ c p (k - теплопровідність матеріалу). Для дуже коротких імпульсів, таких як фемтосекундні імпульси, теплова та оптична глибини проникнення рівні, але для довших імпульсів у пікосекундному або наносекундному режимі глибина проникнення теплової енергії стає більшою та зростає із збільшенням тривалості імпульсу. Це представлено рівнянням L T = D T τ L, де τ L - ширина імпульсу. Для досягнення абляції потрібно викласти достатньо енергії на одиницю площі для випаровування матеріалу. Ця енергія відома як пороговий флюенс, F th .
У разі коротких імпульсів (F th = ρ H v α, що наочно показує, що порогова щільність зростає зі збільшенням щільності та тепла випаровування, але зменшується із збільшенням коефіцієнта поглинання.
У випадку пікосекундних та наносекундних імпульсів це вже не так, оскільки глибина проникнення тепла L T зростає із тривалістю імпульсу і більша за глибину оптичного проникнення. Отже, пороговий флюенс F th для імпульсів, що перевищують 10 пс, повинен бути розрахований з іншого рівняння, яке має значення F th = ρ H v L τ, і, отже, воно зростає із щільністю, теплом випаровування та тривалістю імпульсу.
Можна моделювати взаємодію випромінювання з речовиною і зрозуміти поведінку процесу абляції на основі рівнянь для моделі. Однак це виходить за рамки цієї статті, і достатньо представити результати для кожного режиму тривалості імпульсу. Для піко-секундних імпульсів відбувається прямий перехід від твердого до пара, а абляційні риси чітко вирізані та чіткі. Для піко-секундних імпульсів існує деяка фізика рідкої фази, яка вступає в картину, і деякий матеріал переокладається після абляції на поверхні. Нарешті, для наносекундних імпульсів відбувається багато плавлення та деякі випаровування. Це спричиняє абляційні риси, які не дуже різкі, і, отже, часто спостерігаються відкладення матеріалу на межі аблятивних рисів. На малюнку 3 нижче показано різницю між отвором, зробленим fsec та nsec-лазером.