Ablación láser

La ablación láser o fotoablación (también llamada chorro de láser ^{[1] [2] [3]} ) es el proceso de eliminar material de una superficie sólida (u ocasionalmente líquida) irradiándolo con un rayo láser . Con un flujo láser bajo, el material se calienta por la energía láser absorbida y se evapora o sublima . Con un flujo láser alto, el material normalmente se convierte en plasma . Por lo general, la ablación láser se refiere a la eliminación de material con un láser pulsado , pero es posible ablacionar material con un rayo láser de onda continua si la intensidad del láser es lo suficientemente alta. Mientras que los pulsos láser relativamente largos (por ejemplo, pulsos de nanosegundos) pueden calentar y alterar térmicamente o dañar el material procesado, los pulsos láser ultracortos (por ejemplo, femtosegundos) causan solo un daño mínimo al material durante el procesamiento debido a la interacción ultracorta luz-materia y, por lo tanto, también son adecuados para el procesamiento de micromateriales. ^[4] Los láseres excimer de luz ultravioleta profunda se utilizan principalmente en la fotoablación; la longitud de onda del láser utilizado en la fotoablación es de aproximadamente 200 nm.

La profundidad a la que se absorbe la energía láser y, por lo tanto, la cantidad de material eliminado por un solo pulso láser, depende de las propiedades ópticas del material y de la longitud de onda del láser y la duración del pulso. La masa total extraída del objetivo por cada pulso láser se suele denominar tasa de ablación. Características de la radiación láser como la velocidad de barrido del haz láser y la cobertura de las líneas de barrido pueden influir significativamente en el proceso de ablación. ^[5]

Los pulsos láser pueden variar en un rango muy amplio de duración (desde milisegundos hasta femtosegundos ) y flujos, y pueden controlarse con precisión. Esto hace que la ablación láser sea muy valiosa tanto para la investigación como para aplicaciones industriales.

La aplicación más sencilla de la ablación láser es la eliminación controlada de material de una superficie sólida. El mecanizado láser y, en particular , la perforación láser son ejemplos de ello; los láseres pulsados ​​pueden perforar agujeros extremadamente pequeños y profundos en materiales muy duros. Los pulsos láser muy cortos eliminan el material tan rápidamente que el material circundante absorbe muy poco calor, por lo que la perforación láser se puede realizar en materiales delicados o sensibles al calor, incluido el esmalte dental ( odontología láser ). Varios trabajadores han empleado la ablación láser y la condensación de gas para producir nanopartículas de metal, óxidos metálicos y carburos metálicos.

Además, la energía láser puede ser absorbida selectivamente por los recubrimientos, particularmente en el metal, por lo que los láseres pulsados _​​de CO2 o Nd:YAG se pueden utilizar para limpiar superficies, eliminar pintura o recubrimientos, o preparar superficies para pintar sin dañar la superficie subyacente. Los láseres de alta potencia limpian un área grande con un solo pulso. Los láseres de menor potencia utilizan muchos pulsos pequeños que pueden escanearse a través de un área. En algunas industrias, la ablación láser puede denominarse limpieza láser.

Una de las ventajas es que no se utilizan disolventes, por lo que es respetuoso con el medio ambiente y los operadores no están expuestos a productos químicos (suponiendo que no se vaporice nada dañino). ^{[ cita requerida ]} Es relativamente fácil de automatizar. Los costos de funcionamiento son inferiores a los de los medios secos o la limpieza con hielo seco , aunque los costos de inversión de capital son mucho mayores. El proceso es más suave que las técnicas abrasivas, por ejemplo, las fibras de carbono dentro de un material compuesto no se dañan. El calentamiento del objetivo es mínimo.

Otra clase de aplicaciones utiliza la ablación láser para procesar el material extraído y transformarlo en formas nuevas que no son posibles o son difíciles de producir por otros medios. Un ejemplo reciente es la producción de nanotubos de carbono .

La limpieza con láser también se utiliza para eliminar eficazmente el óxido de objetos de hierro, eliminar aceite o grasa de diversas superficies y restaurar pinturas, esculturas y frescos. La ablación con láser es una de las técnicas preferidas para la limpieza de moldes de caucho debido al daño mínimo que se produce en la superficie del molde.

En marzo de 1995, Guo et al. ^[6] fueron los primeros en informar sobre el uso de un láser para extirpar un bloque de grafito puro y, posteriormente, grafito mezclado con metal catalítico . ^[7] El metal catalítico puede consistir en elementos como cobalto , niobio , platino , níquel , cobre o una combinación binaria de los mismos. El bloque compuesto se forma haciendo una pasta de polvo de grafito, cemento de carbono y el metal. A continuación, la pasta se coloca en un molde cilíndrico y se hornea durante varias horas. Después de la solidificación, el bloque de grafito se coloca dentro de un horno con un láser apuntando hacia él y se bombea gas argón a lo largo de la dirección del punto láser. La temperatura del horno es de aproximadamente 1200 °C. A medida que el láser extirpa el objetivo, se forman nanotubos de carbono y son transportados por el flujo de gas hacia un colector de cobre frío. Al igual que los nanotubos de carbono formados utilizando la técnica de descarga de arco eléctrico , las fibras de nanotubos de carbono se depositan de forma aleatoria y enredada. Los nanotubos de pared simple se forman a partir del bloque de grafito y partículas catalizadoras de metal, mientras que los nanotubos de pared múltiple se forman a partir del material de partida de grafito puro.

Una variante de este tipo de aplicación es el uso de la ablación láser para crear recubrimientos mediante la ablación del material de recubrimiento de una fuente y dejándolo depositar sobre la superficie que se va a recubrir; se trata de un tipo especial de deposición física de vapor denominada deposición láser pulsada (PLD), ^[8] y puede crear recubrimientos a partir de materiales que no se pueden evaporar fácilmente de ninguna otra forma. Este proceso se utiliza para fabricar algunos tipos de superconductores de alta temperatura y cristales láser. ^[9]

La espectroscopia láser remota utiliza la ablación láser para crear un plasma a partir del material de la superficie; la composición de la superficie se puede determinar analizando las longitudes de onda de la luz emitida por el plasma.

La ablación láser también se utiliza para crear patrones, eliminando selectivamente el revestimiento del filtro dicroico . Estos productos se utilizan en iluminación escénica para proyecciones de alta dimensión o para calibrar instrumentos de visión artificial.

Por último, la ablación láser se puede utilizar para transferir impulso a una superficie, ya que el material ablacionado aplica un pulso de alta presión a la superficie que se encuentra debajo de él a medida que se expande. El efecto es similar a golpear la superficie con un martillo. Este proceso se utiliza en la industria para endurecer las superficies metálicas y es uno de los mecanismos de daño de un arma láser . También es la base de la propulsión láser pulsada para naves espaciales.

Actualmente se están desarrollando procesos para utilizar la ablación láser en la eliminación del revestimiento de barrera térmica en los componentes de turbinas de gas de alta presión. Debido al bajo aporte de calor, la eliminación del revestimiento de barrera térmica se puede completar con un daño mínimo a los revestimientos metálicos subyacentes y al material original.

La ablación láser en fase líquida es un método eficaz para exfoliar materiales a granel y convertirlos en formas bidimensionales (2D), como el fósforo negro. Al cambiar el disolvente y la energía del láser, se puede controlar el espesor y el tamaño lateral de los materiales bidimensionales. ^[10]

La ablación láser se utiliza como método de muestreo para el análisis elemental e isotópico, y reemplaza los laboriosos procedimientos tradicionales generalmente requeridos para digerir muestras sólidas en soluciones ácidas. El muestreo por ablación láser se detecta monitoreando los fotones emitidos en la superficie de la muestra, una tecnología conocida como LIBS ( espectroscopia de ruptura inducida por láser ) y LAMIS (espectrometría isotópica molecular por ablación láser), o transportando las partículas de masa ablacionadas a una fuente de excitación secundaria, como el plasma acoplado inductivamente . Tanto la espectroscopia de masas (MS) como la espectroscopia de emisión óptica (OES) se pueden acoplar con el ICP. Los beneficios del muestreo por ablación láser para el análisis químico incluyen la falta de preparación de la muestra, la falta de desperdicio, los requisitos mínimos de muestra, la falta de requisitos de vacío, el rápido tiempo de respuesta del análisis de la muestra, la resolución espacial (de profundidad y lateral) y el mapeo químico. El análisis químico por ablación láser es viable para prácticamente todas las industrias, como la minería, la geoquímica, la energía, el medio ambiente, el procesamiento industrial, la seguridad alimentaria, la ciencia forense ^[11] y la biología. ^{[12] [13]} Existen instrumentos comerciales disponibles para todos los mercados que permiten medir cada elemento e isótopo de una muestra. Algunos instrumentos combinan la detección óptica y de masas para ampliar la cobertura del análisis y el rango dinámico de sensibilidad.

La ablación láser se utiliza en la ciencia para destruir nervios y otros tejidos y estudiar su función. Por ejemplo, a una especie de caracol de estanque , Helisoma trivolvis , se le pueden extirpar las neuronas sensoriales con láser cuando el caracol todavía es un embrión para evitar el uso de esos nervios. ^[14]

Otro ejemplo es la larva trocófora de Platynereis dumerilii , a la que se le extirpó el ojo larvario y la larva ya no era fototáctica. ^[15] Sin embargo, la fototaxis en la larva nectoqueto de Platynereis dumerilii no está mediada por los ojos larvarios, porque la larva sigue siendo fototáctica, incluso si se le extirpan los ojos larvarios. Pero si se extirpan los ojos adultos, entonces el nectoqueto ya no es fototáctico y, por lo tanto, la fototaxis en la larva nectoqueto está mediada por los ojos adultos. ^[16]

La ablación láser también se puede utilizar para destruir células individuales durante la embriogénesis de un organismo, como Platynereis dumerilii , para estudiar el efecto de las células faltantes durante el desarrollo.

Existen varios tipos de láser utilizados en medicina para la ablación, incluyendo argón , dióxido de carbono (CO2 ₎ , tinte , erbio , excimer , Nd:YAG y otros. La ablación láser se utiliza en una variedad de especialidades médicas, incluyendo oftalmología , cirugía general , neurocirugía , otorrinolaringología , odontología , cirugía oral y maxilofacial y veterinaria . ^[17] Los bisturíes láser se utilizan para la ablación en cirugías de tejidos duros y blandos . Algunos de los procedimientos más comunes donde se utiliza la ablación láser incluyen LASIK , ^[18] rejuvenecimiento de la piel , preparación de cavidades, biopsias y eliminación de tumores y lesiones. ^[19] En cirugías de tejidos duros, los láseres de pulso corto, como Er:YAG o Nd:YAG, extirpan tejido bajo condiciones de estrés o confinamiento inercial. ^[20] En cirugías de tejidos blandos, el rayo láser de CO ₂ ablaciona y cauteriza simultáneamente, lo que lo convierte en el láser de tejidos blandos más práctico y más común. ^[21]

La ablación láser se puede utilizar en lesiones benignas y malignas en varios órganos, lo que se denomina termoterapia intersticial inducida por láser. Las principales aplicaciones actuales implican la reducción de nódulos tiroideos benignos ^[22] y la destrucción de lesiones hepáticas malignas primarias y secundarias. ^{[23] [24]}

La ablación láser también se utiliza para tratar la insuficiencia venosa crónica . ^[25]

Véase también cirugía cerebral ablativa .

Un marco bien establecido para la ablación láser se denomina modelo de dos temperaturas de Kaganov y Anisimov. ^[26] En él, la energía del pulso láser es absorbida por el material sólido, estimulando directamente el movimiento de los electrones y transfiriendo calor a la red, que subyace a la estructura cristalina del sólido. Por lo tanto, las dos variables son: la temperatura del electrón en sí y la temperatura de la red . Sus ecuaciones diferenciales, en función de la profundidad , están dadas por${\displaystyle T_{e}}$${\displaystyle T_{l}}$${\estilo de visualización x}$

$${\displaystyle c_{e}{\frac {\partial T_{e}}{\partial t}}={\frac {\partial }{\partial x}}(\kappa _{e}{\frac {\ parcial T_{e}}{\partial x}})-K_{e,l}(T_{e}-T_{l})+Q(t),}$$

$${\displaystyle c_{l}{\frac {\partial T_{l}}{\partial t}}=K_{e,l}(T_{e}-T_{l}).}$$

Aquí, y son el calor específico de los electrones y la red respectivamente, es la conductividad térmica de los electrones, es el acoplamiento térmico entre los sistemas de electrones y fonones (red), y es la energía del pulso láser absorbida por la masa, generalmente caracterizada por la fluencia. Se pueden hacer algunas aproximaciones dependiendo de los parámetros del láser y su relación con las escalas de tiempo de los procesos térmicos en el objetivo, que varían si el objetivo es metálico o dieléctrico.$estilo de visualización c_{e}}$$estilo de visualización c_{l}}$${\displaystyle \kappa_{e}}$${\displaystyle K_{e,l}}$${\displaystyle Q(t)}$

Uno de los parámetros experimentales más importantes para la caracterización de un objetivo es el umbral de ablación, que es la fluencia mínima en la que se observa un átomo o molécula particular en la columna de ablación. Este umbral depende de la longitud de onda del láser y se puede simular suponiendo el potencial de Lennard-Jones entre los átomos en la red, y solo durante un tiempo particular de la evolución de la temperatura llamado etapa hidrodinámica. Sin embargo, por lo general, este valor se determina experimentalmente.

El modelo de dos temperaturas se puede ampliar caso por caso. Una extensión notable involucra la generación de plasma. Para pulsos ultracortos (que sugieren una gran fluencia) se ha propuesto que la explosión de Coulomb también juega un papel ^[26] porque la energía del láser es lo suficientemente alta como para generar iones en la columna de ablación. Se ha determinado un valor para el campo eléctrico para el umbral de explosión de Coulomb, y se da por

$${\displaystyle E={\sqrt {\frac {2\Lambda n_{0}}{\epsilon \epsilon _{0}}}},}$$

donde es la energía de sublimación por átomo, es la densidad reticular atómica y es la permitividad dieléctrica.${\estilo de visualización \Lambda}$${\estilo de visualización n_{0}}$${\displaystyle \épsilon}$

Algunas aplicaciones de la ablación por láser pulsado se centran en el mecanizado y el acabado del material ablacionado, pero otras aplicaciones se centran en el material expulsado del objetivo. En este caso, las características de la columna de ablación son más importantes de modelar.

La teoría de Anisimov consideraba una nube de gas elíptica que crecía en el vacío. En este modelo, la expansión térmica domina la dinámica inicial, con poca influencia de la energía cinética ^[26] , pero la expresión matemática está sujeta a suposiciones y condiciones en la configuración experimental. Parámetros como el acabado superficial, el preacondicionamiento de un punto en el objetivo o el ángulo del haz láser con respecto a la normal de la superficie del objetivo son factores a tener en cuenta al observar el ángulo de divergencia de la dinámica de la columna o su rendimiento.

• Oxford Concise Medical Dictionary, 2002, sexta edición, ISBN 0-19-860459-9