激光烧蚀或光烧蚀是通过使用激光束照射,从固体(或有时为液体)表面去除材料的过程。在低激光通量下,材料被加热并蒸发或升华;在高激光通量下,材料通常会转换为等离子体。
吸收激光能量的深度以及单个激光脉冲去除的材料量,取决于材料的光学特性以及激光波长和脉冲长度。每个激光脉冲从靶标烧蚀的总质量通常称为烧蚀率。激光束扫描速度和扫描线覆盖率等激光辐射特征会显着影响烧蚀过程。
激光脉冲可以在不同的持续时间(毫秒到飞秒)和通量范围内变化,并且可以精确控制。激光烧蚀最简单的应用是以受控方式从固体表面去除材料。激光钻孔就是典型的例子。脉冲激光可以在非常硬的材料上钻出很小的深孔。极短的激光脉冲会很快去除材料,以至周围的材料吸收的热量很少,因此可以在易碎或对热敏感的材料上进行激光钻孔。
激光清洁的实际应用
在工业应用中,激光烧蚀被称为激光清洁。激光烧蚀的优点是无需任何溶剂,对环境无害,在没有其他有害物质的前提下,操作员不会暴露于化学物质。尽管激光烧蚀在前期的资本投入高,但运行成本低于干介质或干冰喷射。该方法比研磨技术温和,例如复合材料中的碳纤维不会受损。
激光清洁还可用于有效清除铁质物体表面的生锈;从各个表面去除油或油脂;恢复绘画、雕塑、壁画。由于对模具的表面损伤最小,所以激光烧蚀是用于橡胶模具清洁的优选技术之一。
1995年3月,国外媒体率先报道了研究人员使用激光烧蚀一块纯石墨,然后将石墨与催化金属混合的方法。催化金属可以由诸如钴、铌、铂、镍、铜或其二元组合的元素组成。复合块是通过将石墨粉、碳水泥和金属制成的糊料制成。
研究人员将糊状物置于圆柱形模具中并烘烤数小时,固化后将石墨块放置在烤箱中,并在其上对准激光,然后沿激光点的方向泵入氩气。烤箱温度约为1200℃。随着激光烧蚀靶材,碳纳米管形成并被气流携带到冷铜收集器上。像使用电弧放电技术形成的碳纳米管一样,碳纳米管纤维也以随意缠结的方式沉积。单壁纳米管由石墨和金属催化剂颗粒的嵌段形成,而多壁纳米管由纯石墨原料形成。
这种应用的变化是通过从源上烧蚀涂层材料并使其沉积在待涂表面上,使用激光烧蚀形成涂层。这是一种称为脉冲激光沉积(PLD)的特殊类型的物理气相沉积,可以用不异以其他任何方式蒸发的材料制成涂层。该工艺用于制造某些类型的高温超导体和激光晶体。
远程激光光谱学技术结合激光烧蚀,从表面材料产生等离子体。表面的组成可以通过分析等离子体发射的光的波长来确定。激光烧蚀还用于创建图案,从二向色滤镜上选择性去除涂层。该产品用于舞台照明,以进行大尺寸投影,或用于校准机器视觉的仪器。
推进力(Propulsion)
激光烧蚀可用于将动量传递到表面,因为烧蚀的材料在其膨胀时会向其下表面施加高压脉冲。效果类似于用锤子击打表面。此过程在工业上用于对金属表面进行硬化处理,并且能作为武器使用激光武器。
制造业(Manufacturing)
激光烧蚀在人体皮肤上的应用,也是使用CO2或Nd:YAG脉冲激光清洁表面,去除色素沉着,改善疤痕组织的外观(不能治愈),并重整皮肤的外层而不会损坏外层下表。
当前正在开发使用激光烧蚀去除高压燃气轮机部件上的热障涂层的方法。由于热量输入少,因此可以在对底层金属涂层和母体材料造成最小损害的情况下,完成TBC涂层的去除。
化学分析(Chemical analysis)
激光烧蚀被用作元素和同位素分析的采样方法,并取代了在酸性溶液中消化固体样品通常所需的传统步骤。激光烧蚀采样是通过监视在样品表面发射的光子,一种称为激光诱导击穿光谱(LIBS)和激光烧蚀分子同位素光谱法(LAMIS)的技术,或通过将烧蚀的质量粒子传输到第二激发源来检测,就像感应耦合等离子体质谱(MS)和光发射光谱(OES)均可与ICP耦合。
激光烧蚀采样用于化学分析的好处包括无需准备样品,没有浪费,需要最少的样品,不需要真空,可以快速进行样品分析周转时间,空间(深度和横向)分辨率以及化学绘图。激光烧蚀化学分析几乎适用于所有行业,例如采矿、地球化学、能源、环境、工业加工、食品安全、法医和生物学。商业仪器可用于所有市场,以测量样品中的每种元素和同位素。一些仪器将光学和质量检测结合起来,以扩展分析范围和灵敏度的动态范围。
生物(Biology)
激光消融在科学中用于破坏神经和其他组织以研究其功能。例如,当Helisoma trivolvis一种田螺仍然是胚胎时,将其感觉神经元激光切除。另一个例子是激光消融在Platynereis dumerilii虫上的发现。通过激光消融幼虫的眼睛,发现幼虫还有趋光性。但消融了成虫的眼睛后,Platynereis dumerilii就不再有趋光性了。
医药(Medicine)
在医学上有几种用于消融的激光类型,包括氩气、二氧化碳、染料、准分子、Nd:YAG等。激光消融用于多种医学专业,包括眼科、普通外科、神经外科、耳鼻喉、牙科、口腔颌面外科以及兽医学。激光手术刀用于消融硬组织和软组织。使用激光消融的一些医学上最常见地应用包括LASIK、皮肤换肤、腔准备、活组织检查以及肿瘤和病变清除。在软组织手术中,CO2激光束同时消融和烧灼,使其成为最实用的软组织激光。
激光消融可用于各种器官的良性病变和恶性病变,这被称为激光诱导的间质热疗。目前的主要应用包括减少甲状腺良性结节和破坏原发性和继发性恶性肝病灶。激光消融还用于治疗慢性静脉功能不全。
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